MOMENTOS HISTÓRICOS DE LA TECNOLOGÍA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL QUÍMICO Esta Exhibición es una versión de la galería ‘Avances Tecnológicos’, preparado.

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1 MOMENTOS HISTÓRICOS DE LA TECNOLOGÍA DESDE EL PUNTO DE VISTA DEL QUÍMICO Esta Exhibición es una versión de la galería ‘Avances Tecnológicos’, preparado por los miembros de la Sociedad Americana de Química bajo la dirección del Profesor Attila Pavlath. Exhibición realizada en el Departamento de Química Física de la Universidad Szeged, en Hungría por Nora Rideg, estudiante subgraduado, Supervisado por Veronika Nemeth, Catedrático Auxiliar Auspiciado por la Sociedad de Química en Hungría (MKE) y la Sociedad Americana de Química

2 AGRICULTURA Y ALIMENTO

3 IV. MOMENTOS HISTÓRICOS DE LA TECNOLOGIA EN LA AGRICULTURA Y LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS Los químicos y los ingenieros químicos han realizado varias contribuciones a la agricultura y los alimentos que han permitido su crecimiento, su cosecha y su consumo en abundancia y con gran valor nutritivo. A finales del siglo diecinueve y a principios del siglo veinte, todo hogar promedio tenían en su cocina productos como vegetales y raíces de sus hortalizas, su jardín o la granja local; mantequilla hecha en casa, huevos de una gallina encerrada en un corral, vegetales y carnes almacenadas en un caja congeladora o cocidas sobre una estufa con brasas o con madera. El último siglo nos ha traído grandes cambios en cómo llegan los alimentos a nuestras mesas al tener granjas mas productivas, además de alimentos y agua potable a mayor disposición. Agricultores modernos están utilizando los nuevos avances tecnológicos para una mejor producción agrícola al utilizar fertilizantes y pesticidas. Los consumidores se han beneficiado de las nuevas tecnologías que han aumentado el sabor, la apariencia, la disponibilidad y el valor nutritivo de los alimentos. Estos avances de la química han ayudado a alimentar a este mundo de rápido crecimiento poblacional. IV.1. Fertilizantes y nutrientes de suelo Fijación de nitrógeno Proceso Haber-Bosch Avances en fertilizantes químicos Revolución verde y plantas híbridas IV.2. Protección agrícola y manejo de plagas Método de Burdeos y fungicidas DDT y pesticidas Protección de ganado Maquinaria para granjas IV.3. Procesamiento, manejo y seguridad de alimentos Sacarina y edulcorantes Vitaminas y minerales Preservativos y adelantos de la manufactura Seguridad de alimento y control de calidad IV.4. Almacenaje de alimentos Empaque Refrigerantes y clorofluorocarbonos Hornos de microondas Agua potable

4 1881 El científico francés Louis Pasteur descubre la vacuna ántrax para ovejas y cerdos. 1883 El químico danés, Johan Gustav Kjeldahl desarrolla un método para analizar el contenido de nitrógeno en compuestos orgánicos. 1884 El botánico francés, Pierre M. A. Millardet inventa la mezcla de Burdeos para combatir los hongos en los viñedos. 1901 John F. Quenny, el fundador de la Compañía Monsanto, manufacturera sacarina. 1913 Los dos químicos alemanes, Fritz Haber y Carl Bosch desarrollan el proceso para la producción de amoniaco a nivel industrial. 1913 Elmer V. McCollum y Marguerite David descubren Vitamina A en la mantequilla y la yema del huevo. 1918 La firma Kelvinator lanza su primera nevera para uso casero. 1933 La leche fortificada con Vitamina D es vendida comercialmente. 1939 El químico sueco, Paul Mueller descubre las cualidades insecticidas del pesticida DDT. 1943 Químicos del Departamento de Agricultura de los Estados Unidos desarrollan aerosol de dispersión como insecticida y con aplicaciones agrícolas. 1953 Se introduce la envoltura de Sarán en los hogares por la firma Dow. 1964 La ‘Revolución Verde’: la aplicación de plantas híbridas y fertilizantes de suelo líquido ayudan en los problemas de nutrición de los países en desarrollo. 1972 Prohibición del DDT en los Estados Unidos. (Como primer país en el mundo, Hungría lo prohibió en el 1968). 1974 Monsanto introduce el herbicida Roundup. 1990 Novedosos productos para la fortificación y el aumento en el valor nutricional de los alimentos comienzan a comercializarse. IV. LA AGRICULTURA Y LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS Cronología

5 IV.1. Nutrientes de suelo y los fertilizantes La fijación de nitrógeno es un proceso natural y esencial donde los microorganismos convierten el nitrógeno, que es poco reactivo, en compuestos de nitrógeno inorgánico, que a su vez entra de primera instancia a la cadena alimentaria como compuestos de nitrógeno orgánico tales como las proteínas en plantas. La mayoría de los suelos disponibles para cultivos son deficientes en nitratos. Por esta razón, muchos procesos comerciales se han desarrollado para producir productos químicos nitrogenados o fertilizantes; como el muy bien conocido proceso de Haber-Bosch. La obtención de un suelo químicamente balanceado surgió en el 1956 con el desarrollo del método Kjeldahl, que analiza automáticamente la cantidad de nitrógeno existente en compuestos orgánicos. Fijación de nitrógeno El ciclo del nitrógeno Unidad para determinar el contenido de nitrógeno de material orgánico por el método de Kjeldahl

6 IV.1. Nutrientes de suelo y los fertilizantes El proceso de Haber-Bosh A finales del siglo diecinueve, la escasez de alimentos y el aumento en la población levantó preocupaciones serias en el mundo. El contenido de nitrógeno en el suelo agrícola había sido utilizado a su capacidad máxima y el apoyo industrial para la producción de fertilizantes permanecía sin resolver. Algunos científicos hicieron predicciones de una hambruna mundial si esto continuaba. Surgió entonces una necesidad urgente para la producción de compuestos nitrogenados a partir del aire. La respuesta vino en el 1908 en Alemania, cuando Fritz Haber descubrió los principios de la síntesis de amoniaco, utilizando todos los recursos físicos y químicos disponibles a su alcance. La síntesis requiere un catalizador de hierro a altas presiones y temperaturas. El químico Carl Bosch, de la industria BASF (Badische Anilin- & Soda- Fabrik) comercializó el proceso estableciendo la primera y mas moderna producción industrial en el 1913. Este proceso industrial promovió un aumento en la producción agrícola y el crecimiento poblacional durante el siglo 20. Fritz Haber

7 IV.1. Nutrientes de suelo y los fertilizantes Avances en los fertilizantes químicos A principios del 1913, se produjeron fertilizantes sintéticos comercialmente, los cuales mejoraron dramáticamente la producción y el rendimiento agrícola. Desde entonces, se ha hecho innovaciones en la producción básica de fertilizantes químicos, incluyendo el mercadeo de los fertilizantes granulados en el 1930 y la introducción de fertilizantes de suspensión en el 1965 para el mercado americano. Para los años 70, el fertilizante granulado fue refinado para que fuese adecuado para uso casero. La innovación mas reciente de fertilizantes comerciales incluye la encapsulación por tiempo de fertilizantes, lo que evita la sobre fertilización indeseable para el ambiente.

8 IV.1. Nutrientes de suelo y los fertilizantes Revolución verde y plantas híbridas Desde el 1870, se han creado de forma selectiva plantas hibridas que promueven el aumento en la producción y la calidad de los alimentos. La Química Orgánica identifica las cualidades deseables de una planta y desarrolla híbridos que promueven una mayor absorción del nitrógeno de los fertilizantes químicos. Estos avances dieron lugar a la ‘Revolución Verde’, que comenzó cuando Méjico se convirtió en autosuficiente en la producción de trigo en el 1943. Para el 1964, la mayor parte de la población de Asia estaba siendo alimentada con plantas hibridas y usaban nutrientes químicos para el suelo. En la actualidad, es que los agricultores americanos están utilizando estas nuevas plantas hibridas, tales como los maizales y papas que segregan pesticidas en sus hojas y tallos.

9 IV.2. Protección agrícola y manejo de plagas El método de Bordeaux y los fungicidas En el 1882, el botánico francés, Pierre M. A. Millardet empleó una solución acuosa de sulfato cúprico y cal hidratada, conocida como la mezcla de Burdeos o caldo bordelés (Bordeaux mixture), para combatir efectivamente el hongo encontrado en los viñedos de Francia. En la actualidad se usa esta mezcla para controlar el crecimiento de hongo que atacan la cosecha. Éste se convirtió en el primer fungicida usado en gran escala que revolucionó la protección química de las cosecha. Las innovaciones químicas en la agricultura continuaron con la introducción de los fungicidas de ditiocarbamato en el 1934 y los fungidas de strobilurina para el 1996. Pierre M. A. Millardet

10 IV.2. Protección agrícola y manejo de plagas DDT y los pesticidas Los pesticidas protegen las plantaciones de daños causados por los hongos, insectos además de la competencia de plantas indeseables en el terreno. En el 1939, Paul Mueller desarrolló el insecticida de bajo costo DDT (dicloro-difenil-triclorethano) para controlar los escarabajos y otros insectos en las papas (patatas). El DDT y otros pesticidas similares controlaron las plagas y las enfermedades contra las plantas por aproximadamente veinte años. Cerca de los años 60, la preocupación del público sobre los daños al ambiente y la acumulación de DDT en los seres humanos, combinado con el aumento en la resistencia de los insectos al DDT condujo a la evolución de nuevos pesticidas y al descenso del DDT. Los pesticidas usados en la actualidad proveen mayor economía para los agricultores, seguridad a los trabajadores y son mejores al ambiente. Cascarón de huevo debilitado por el DDT DDT para el combate de la malaria

11 IV.2. Protección agrícola y manejo de plagas Protección de ganado El tratamiento de las enfermedades de los animales, con vacunas o medicamentos ha aumentado la calidad y cantidad de alimentos disponibles para el hombre. En 1881, Louis Pasteur perfeccionó exitosamente una vacuna para el ántrax del ganado. En el 1981, se introdujo el anti-parasítico Ivermectin para combatir los parásitos que afectan la salud del animal. Investigaciones recientes intentan prevenir la encefalopatía espongiforme bovina (EEB), la ‘enfermedad de las vacas locas’, que se cree que es causada por proteínas priónicas encontrado en el alimento de los animales que pueden tener agentes infecciosos. Louis Pasteur Pasteur vacunación de ganado

12 IV.2. Protección agrícola y manejo de plagas Durante el último siglo, ha existido la necesidad de usar aplicaciones tecnológicas eficientes para la agricultura (fertilizantes y pesticidas), los sistemas de riego, la química en la agricultura y las maquinarias para los terrenos agrícolas. Éstos han aumentado dramáticamente la eficiencia y productividad de las granjas. El tractor diesel fue desarrollado por el inventor americano Benjamin Holt, en el 1904. Los tractores de hoy día, los cultivadores, los sistemas de riego, la aplicación tecnológica y el programado y sofisticado sistema de posicionamiento global “GPS” son todos posibles gracias a las innovaciones químicas además de los combustible, materiales (aleación de metales y plásticos avanzados), la tecnología de gomas y la electrónica computacional. Tractor de arrastre de Holt Maquinaria para granjas

13 IV.3. Procesamiento, manejo y seguridad de alimentos La sacarina y otros edulcorantes Los edulcorantes artificiales fueron creados para ayudar a los pacientes diabéticos y a los que están a dieta en el control del consumo de azúcar y la perdida de peso respectivamente. En el 1901, John F. Quenny manufacturó el edulcorante artificial sacarina. En 1967, se comenzó a manufacturar el almíbar de maíz alto en fructosa como aditivo para aumentar el sabor dulce de los alimentos de un 14% a un 42%, y desde entonces se esta utilizando para endulzar las bebidas carbonatadas. El aspartame se vendió por primera vez en Estados Unidos en el 1985; éste edulcorante de baja caloría, se mercadeó con el nombre de NutraSweet, sin embargo, fue originalmente desarrollado en el 1955 como una droga anti-úlcera. Empaque original de la Sacarina

14 IV.3. Procesamiento, manejo y seguridad de alimentos Aditivos vitaminados El conocimiento de la bioquímica de los alimentos a revolucionado la nutrición proveyendo la cura para enfermedades causada por la deficiencias de vitaminas en la dieta y por la mala nutrición. La química ha propiciado grandes adelantos en este campo, por ejemplo el descubrimiento de la primera vitamina, la vitamina A (betacaroteno). La vitamina A se encuentra en la mantequilla y la yema del huevo, y es el nutriente esencial para la visión y la protección del epitelio. Su estructura química se determinó en el 1931 y fue sintetizado por primera vez en el 1947. El bioquímico húngaro, Albert Szent-Györgyi fue el primero en aislar el ácido hexaurónico (ácido ascórbico) de las glándulas adrenales en el 1928, conocido en la actualidad como la vitamina C. En el 2001, aparece por primera vez en Asia, el arroz modificado genéticamente ‘golden rice’, rico en-vitamina A, para combatir la ceguera y otras enfermedades causadas por la deficiencia de vitamina A.

15 IV.3. Procesamiento, manejo y seguridad de alimentos Los orígenes de la química de los alimentos se remontan al siglo diecinueve, cuando el alemán, Justus Liebig, prepara por primera vez extractos de carnes. Los adelantos en las técnicas de preservación y de manufactura dieron lugar a la creación de los alimentos procesados. Según la química de los alimentos siguió incursionado en otras prácticas industriales, se han desarrollado múltiples alimentos procesados. Las nuevas tecnologías han promovido extender la vida útil de los alimentos, por procesos tales como los procesos de congelación de alimentos en seco (liofilización) (1906), congelación intenso (1920), alimentos precocidos (1939), y preparando concentrados de líquidos (1946). Una etiqueta del extracto de carne de Liebig Preservativos y adelantos de la manufactura

16 IV.3. Procesamiento, manejo y seguridad de alimentos Seguridad y pruebas para alimentos Cualquier producto agrícola tanto crudo como cocido puede contaminarse afectando adversamente la salud humana. La contaminación puede ocurrir durante la preparación, al cocinar, al servir o al almacenar el alimento. Los adelantos químicos que han ayudado a promover la seguridad en los alimentos incluye métodos rápidos para detección de contaminación de los alimentos por microorganismos y el control de epidemias causadas por la contaminación de alimentos. Las enfermedades causadas por patógenos mas comunes causantes de enfermedades transmitidas por alimentos han disminuido un 20%, en Estados Unidos entre los años 1997 al 1999.

17 IV.4. Almacenaje de alimentos Almacenaje de alimentos La tecnología para el almacenaje de alimentos utilizando plásticos, metales, vidrio, y cerámica contribuye a la preservación del alimento durante su venta, distribución y preparación. En los años 1930, Ralph Wiley inventó el polímero saran, luego en el 1953 este polímero se introdujo en el hogar como la envoltura de Saran (Saran Wrap), un producto excelente contra el oxígeno, la humedad, los olores y las sustancias químicas causadas por la humedad y temperatura extrema. La envoltura del Sarán es un copolímero de cloruro de vinilidino y cloruro de vinilo. Otras innovaciones incluye la utilización de latas de aluminio para almacenar comestibles y bebidas en los años 1960, y el PET (polietileno de tereftalato), utilizado como envase reciclable para sustituir el vidrio o el aluminio (1970s).

18 IV.4. Almacenaje de alimentos Refrigerantes y los clorofluorocarbonos Desde que se introdujo en los hogares en el 1918, la refrigeración, ha contribuido a la preservación de los alimentos al proveer la oportunidad de transportar y almacenar alimentos de una forma segura. A principios de los años 1920, las neveras o los refrigeradores se convirtieron en algo poco popular al descubrirse que el dióxido de azufre, utilizado como refrigerante, era tóxico. Se encontró otro refrigerante conocido como el Freón 12, clorofluorocarbono (también conocido como CFC, CCl 2 F 2 ) por Thomas Midgley y Charles Kettering, en el 1931. Las neveras entonces se convirtieron rápidamente en un elemento esencial en los hogares, los restaurantes y los supermercados. En la actualidad, el uso del Freón esta siendo descontinuado por sus efectos destructivos en la capa de ozono. Envase de enfriamiento (1890) y Nevera casera por Kelvinator (1918)‏

19 IV.4. Almacenaje de alimentos El horno de microondas En el siglo 20, los enseres del hogar han simplificado grandemente el trabajo en la preparación de los alimentos. Una de esas innovaciones en enseres eléctricos promovido por los avances de la química es el horno de microondas. En 1945, Percy L. Spencer estaba trabajando con un radar de transmisión en los laboratorios de Raytheon, cuando se dio cuenta que un dulce que se encontraba en su bolsillo estaba derretido. Fascinado por este acontecimiento, replicó la experiencia con palomitas de maíz, de ahí nace la tecnología del horno de microondas que entró en servicio una década después en las cocinas hogareñas. Los transmisores de microondas del tipo de la Segunda Guerra Mundial, llamados magnetrones, siguen siendo el dispositivo original de este utensilio eléctrico.

20 IV.4. Almacenaje de alimentos Agua potable Los avances de la química han asegurado que los abastos de agua son seguros, libre de bacterias, virus y otros contaminantes dañinos. Las innovaciones usadas para lograr esto incluyen el uso de carbón activado para remover el mal olor y sabor, y otras sustancias para suavizar el agua y remover metales pesado; además de la tecnología moderna para su tratamiento, abastecimiento y distribución. La desinfección con cloro en los sistemas de tratamiento de aguas estaba en uso desde 1910. La solución de cloro para uso casero se introdujo en el 1913. Los desinfectantes a base de cloro continúan como excelente método de protección contra enfermedades adquiridas por el mal manejo y procesamiento de los alimentos en la cocina. Molécula de ácido hipocloroso