La fissazione dell ’ azoto

1. IV. LE PIETRE MILIARI DELLA TECNOLOGIA NEL CIBO E NELL’AGRICOLTURA IV.1. Fertilizzanti e concimi La fissazione dell’azoto La fissazione dell’azoto è un processo naturale essenziale nel quale l’organismo converte l’azoto meno reattivo in composti azotati inorganici, che a loro volta rientrano nella catena nutrizionale come composti azotati organici come le proteine nelle piante. L’azoto disponibile nel terreno, specialmente i nitrati, normalmente è scarso a causa dei raccolti intensi. Sono stati sviluppati molti processi industriali per la produzione di fertilizzanti azotati, incluso il noto processo Haber-Bosch per la sintesi dell’ammoniaca. La realizzabilità di un terreno chimicamente equilibrato è stata inoltre migliorata dallo sviluppo, nel 1956, del metodo Kjeldhal per analizzare automaticamente la quantità di azoto presente nei composti organici. Il ciclo dell’azoto Root nodules Il processo Haber-Bosch Alla fine del XIX secolo, la limitata disponibilità di cibo per la popolazione mondiale in espansione suscitò crescenti preoccupazioni. Il contenuto d’azoto nel terreno agricolo si era esaurito e la domanda di supporto industriale per i fertilizzanti azotati rimaneva irrisolta. Alcuni scienziati preannunciarono una carestia mortale a livello mondiale. Quindi, l’obiettivo primario era la produzione di composti azotati che utilizzassero l’azoto dell’aria. La soluzione arrivò nel 1908 dalla Germania, dove Fritz Haber scoprì i principi base della sintesi dell’ammoniaca, utilizzando tutte le risorse fisiche e chimiche disponibili a quel tempo. La sintesi avviene su un catalizzatore di ferro ad alte pressioni e temperatura. Carl Bosch, chimico alla BASF (Badische Anilin & Soda-Fabrik) commercializzò il processo nel 1913 decretando così la prima produzione a livello industriale all’avanguardia. Questo processo industriale ha permesso l’espansione sia della produzione agricola che della popolazione umana durante il XX secolo. Fritz Haber Progressi nei fertilizzanti chimici All’inizio del 1913, i fertilizzanti chimici vennero commercializzati e aumentarono drasticamente le rese dei raccolti e la produzione. Hanno preso piede da allora innovazioni nella produzione basica dei fertilizzanti chimici, includendo la commercializzazione di fertilizzanti granulati nel 1930 e l’introduzione di fertilizzanti in sospensione nel mercato americano nel 1965. Negli anni ’70, i granulati vennero ulteriormente perfezionati al fine di introdurre fertilizzanti disponibili per le miscele di uso domestico. Le innovazioni più recenti nel campo dei fertilizzanti includono l’incapsulamento a tempo di rilascio che evita l’eccessiva fertilizzazione indesiderata dal punto di vista ambientale. Green Revolution e piante ibride Sin dagli anni ’70, le piante ibride vennero create per la loro desiderabile peculiarità di aumentare la produzione e la qualità del cibo. La chimica organica identifica le qualità desiderate delle piante, trasferirle ai successivi ibridi e massimizzare l’assorbimento di azoto con fertilizzanti chimici. Questi progressi hanno portato alla cosiddetta “Green Revolution”, iniziata quando il Messico divenne autosufficiente nella produzione del grano nel 1943. Dal 1964, molte popolazioni asiatiche iniziarono a nutrirsi usando nuove piante ibride ed i concimi chimici. Gli agricoltori americani hanno ora adottato nuove specie di piante ibride, come mais e patate che sono in grado di secernere un pesticida nelle loro foglie e nei loro gambi.

2. IV. LE PIETRE MILIARI DELLA TECNOLOGIA NEL CIBO E NELL’AGRICOLTURA IV.2. Protezione del raccolto e disinfestazione Metodo Bordeaux e fungicidi Nel 1882, il botanico francese Pierre M. A. Millardet impiegò una soluzione acquosa di solfato di rame e calce idrata in acqua (miscela di Bordeaux) per combattere i funghi nei vigneti francesi. La miscela di Bordeaux è ora in grado di controllare un numero di funghi che attaccano i raccolti. Questo rappresentò l’uso del primo fungicida su larga scala e rivoluzionò la protezione chimica dei raccolti. Le innovazioni chimiche nei fungicidi agricoli continuarono con l’introduzione del fungicida ditiocarbammato nel 1934 e del fungicida strobilurina nel 1996. DDT e pesticidi I pesticidi proteggono i raccolti agricoli dall’attacco di funghi, insetti e dalla concorrenza di altre piante. Nel 1939, Paul Mueller sviluppò l’economico pesticida DDT (diclorodifeniltricloroetano) per tenere sotto controllo il coleottero delle patate ed altri insetti. Il DDT e pesticidi simili sono stati in grado di controllare le infestazioni dei raccolti e le malattie trasmesse dagli insetti per oltre 20 anni. Negli anni ’60, le preoccupazioni popolari riguardo al danno ambientale e all’accumulo di DDT nel corpo umano, in concomitanza all’aumento della resistenza delle specie infestanti, ha portato allo sviluppo di nuovi pesticidi ed al declino del DDT. La scarsa utilizzazione di pesticidi al giorno d’oggi permette grandi risparmi per i coltivatori, oltre che la sicurezza dei lavoratori ed è ecologicamente sostenibile rispetto a prima. DDT nella lotta alla malaria Gusci delle uova assottigliati a causa del DDT Protezione del bestiame Il trattamento delle malattie degli animali, sia con la vaccinazione che con la medicazione, ha aumentato la quantità e la qualità delle risorse di cibo. Nel 1881, Louis Pasteur perfezionò con successo le tecniche di vaccinazione del bestiame al fine di indurre immunità contro gli organismi responsabili dell’antrace. Nel 1981, l’antiparassitario Ivermectin venne introdotto nella lotta contro una vasta gamma di piccoli parassiti, vermi ed altri parassiti interni che minacciano la salute dell’animale. Attualmente La ricerca sta cercando di prevenire l’encefalopatie spongiforme bovina (BSE), la cosiddetta “malattia della mucca pazza” che si crede essere causata da proteine del foraggio animale che ospita l’agente infettivo. Louis Pasteur Meccanizzazione della fattoria In concomitanza al bisogno di applicare efficientemente le tecnologie per le sostanze agricole (fertilizzanti, pesticidi) e l’acqua, la chimica agricola e la meccanizzazione delle fattorie si sono sviluppate di pari passo nell’ultimo secolo, aumentando così l’efficienza e la produttività delle fattorie. Il trattore Diesel alimentato ad olio venne sviluppato dall’inventore americano Benjamin Holt nel 1904. Oggi i trattori, i coltivatori, le mietitrici, gli irrigatori, l’applicazione della tecnologia computerizzata ed i sofisticati software GPS sono tutti attivati dalle innovazioni chimiche come le benzine petrolchimiche, i materiali per le strutture (leghe metalliche e materiali plastici all’avanguardia), le tecnologie per la gomma e l’elettronica dei computer. Moderne mietitrebbia Il trattore crawler sviluppato da Holt

3. IV. LE PIETRE MILIARI DELLA TECNOLOGIA NEL CIBO E NELL’AGRICOLTURA IV.3. Trattamento del cibo, manipolazione e sicurezza Saccarina e Dolcificanti I dolcificanti artificiali creati sfruttando la chimica aiutano i diabetici e chi è a dieta a controllare l’apporto di zuccheri. Nel 1901, John F. Quenny produsse il dolcificante artificiale Saccarina. Nel 1967 iniziò la produzione di sciroppo di mais ad alto contenuto in fruttosio attraverso l’impiego di un enzima brevettato per aumentare il potere edulcorante del fruttosio dello sciroppo di mais dal 14% al 42% e divenne rapidamente il dolcificante di elezione di tutte le bevande analcoliche. L’Aspartame fu venduto per la prima volta negli USA nel 1985; questo dolcificante intenso a basso contenuto calorico, commercializzato come NutraSweet, fu sviluppato nel 1955 come possibile farmaco anti ulcera. Integratori vitaminici Considerando come la biochimica del cibo ha rivoluzionato la nutrizione offrendo cure per deficienze alimentari e malnutrizione causate da mancanza di vitamine. La chimica ha fatto grandi progressi in questo campo, come dimostrato dall’esame delle prime vitamine scoperte. La Vitamina A (β-carotene) venne isolata nel 1913 dal burro e dal tuorlo delle uova e rappresenta un nutriente essenziale per la vista e per la protezione della pelle. La sua struttura chimica venne determinata nel 1931 e fu sintetizzata per la prima volta nel 1947. Il biochimico ungherese Albert Szent-Györgyi isolò l’acido esuronico (acido ascorbico) dalle ghiandole adrenali nel 1928. E’ ora conosciuto come Vitamina C. Nel 2001, il riso geneticamente modificato ‘golden rise’ che produce pro-Vitamina A arriva in Asia per la lotta alla cecità e ad altre malattie da deficienza nutritiva. Conservazione e progressi nella produzione Le radici della chimica degli alimenti ci riportano al tedesco Justus Liebig che per primo sviluppo gli estratti di carne nella metà del IXX secolo. I progressi nella conservazione e nelle tecniche di produzione del cibo ci hanno permesso di creare i cibi in scatola. Dal momento che la chimica degli alimenti sviluppò nuovi processi industriali, molti nuovi cibi in scatola furono prodotti. Le nuove tecnologie contribuirono ad aumentare la conservazione del cibo, includendo l’essiccamento a freddo (liofilizzazione) (1906), i cibi congelati (1920), i cibo congelati precucinati (1939) e la realizzazione di concentrati dai fluidi (1946). Il manifesto storico dell’estratto di carne di Liebig Sicurezza del cibo e controllo della qualità Ogni prodotto agricolo non lavorato così come il cibo preparato possono essere contaminati e nuocere in modo serio alla salute umana. La contaminazione può avvenire durante la preparazione, la cottura, la distribuzione o la conservazione. I progressi in campo chimico hanno aumentato la sicurezza del cibo includono i metodi di test rapidi che permettono il rilevamento dei contaminati microbici nel cibo ed il controllo delle epidemie di origine alimentare. Negli USA le malattie di origine alimentare causate dai più comuni patogeni di origine alimentare vennero ridotte del 20% dal 1997 al 1999.

4. IV. LE PIETRE MILIARI DELLA TECNOLOGIA NEL CIBO E NELL’AGRICOLTURA IV.4. Stoccaggio del cibo Confezionamento del cibo Il confezionamento del cibo con tecnologie per plastiche, metallo, vetro e ceramica ne aiuta la conservazione durante la vendita, la spedizione e la preparazione. Ralph Wiley inventò negli anni ’30 il polimero saran e l’involucro Saran ad uso domestico fu introdotto nel 1953 rappresentando un’ eccellente barriera all’ossigeno, all’umidità, all’aroma e alle sostanze chimiche in condizioni di elevata umidità e temperatura. L’involucro Saran è un copolimero di cloruro di vinilidene e cloruro di vinile. Altre innovazioni includono l’utilizzo di latte di alluminio per i cibi e le bevande (anni ’60) e del PET (polietilene tereftalato) come contenitore riciclabile per rimpiazzare il vetro o l’alluminio (anni ’70). Sistemi refrigeranti e clofluorocarburi Da quando fu introdotto per uso domestico nel 1918, la refrigerazione ha modificato la conservazione del cibo permettendo il trasporto e lo stoccaggio dei cibi freschi in tutta sicurezza. Nei primi anni ‘20, i frigoriferi divennero impopolari dopo che fu appurato che il fluido di raffreddamento sulfuro biossido era tossico. La soluzione fu il Freon 12, un clorofluorocarburo (anche chiamato CFC, CCl2F2) composto in un gas refrigerante da Thomas Middglay e Charles Kettering nel 1931. I frigoriferi divennero ben presto abituali nelle case, nei ristoranti e nei negozi alimentari. L’utilizzo del freon si sta ora interrompendo a causa del suo ruolo nella distruzione dello strato di ozono della terra. Ghiacciaia (1890) e frigorifero moderno Forni a microonde Gli elettrodomestici nel XX secolo hanno eliminato molto del lavoro giornaliero nella preparazione del cibo. Una innovazione nata dai progressi della chimica è stata il forno a microonde. Nel 1945, Percy L. Spencer, posizionandosi vicino ad un trasmettitore radar a Raytheon notò che una barretta di cioccolato nella sua tasca iniziò a fondersi. Affascinato, ripeté questa esperienza con il popcorn e nacque così il forno a microonde. Il suo Radarange debuttò dopo una decade nelle cucine industriali. Oggi, i trasmettitori della Seconda guerra mondiale di tipo a microonde, chiamati magnetroni rappresentano il cuore di questa applicazione popolare. Molecule of hypochlorous acid Acqua pulita I progressi nella chimica hanno assicurato rifornimenti sicuri di acqua pulita liberi da batteri, virus e altri contaminanti pericolosi. Le innovazioni includono l’uso di carbone per rimuovere il cattivo odore e sapore, altri ingredienti per alleggerire l’acqua e rimuovere i metalli pesanti e le moderne tecnologie per il trattamento dell’acqua, l’immagazzinamento e la distribuzione. La disinfezione con il cloro nei sistemi di trattamento dell’acqua iniziò dal 1910 e la candeggina fu introdotta nel 1913. I disinfettanti a base di cloro rimangono un eccellente metodo per la protezione delle cucine e degli strumenti per la lavorazione del cibo dalle malattie di origine alimentare.