Lämmastiku sidumineBakterite poolt läbiviidav vaba lämmastiku muundamine anorgaanilisteks lämmastikuühenditeks, mis sisenevad toiduahelasse läbi taimede, on looduses elulise tähtsusega protsess. Intensiivse põllunduse korral väheneb aga pinnases taimedele kättesaadava lämmastiku ja nitraatide hulk. Olukorra parandamiseks on välja töötatud mitmeid kunstlikke protsesse, sealhulgas ka kuulus Haber-Boschi ammoniaagisünteesi meetod. Pinnase optimaalse keemilise tasakaalu saavutamiseks on oluline ka hetkeolukorra kiire ja adekvaatne analüüsimine. Sellele pakkus lahenduse 1956. aastal täiustatud Kjeldahli meetod, mis võimaldas juba automaatselt orgaanilistes materjalides lämmastiku osakaalu määrata.

Haber-Boschi meetod19. sajandi lõpul valmistasid piiratud toiduvarud maailma kasvava rahvastiku taustal tõsist muret. Ennustati suuri näljahädasid. Põllumaad olid kõikjal kurnatud ning kunstlike lämmastikväetiste väljatöötamise järele oli suur vajadus. Potentsiaalseks allikaks oli õhus leiduv lämmastik. Lahendus tuli 1908. aastal Saksamaalt, kus Fritz Haber avastas ammoniaagisünteesi võimaluse rauast katalüsaatoris kõrgel temperatuuril ja rõhu all. Carl Bosch, keemik firmast BASF (Badische Anilin- & Soda-Fabrik) täistas antud protseduuri, nii et 1913. aastaks oli võimalik juba masstootmise alustamine. Antud meetodi väljatöötamine võimaldas suurendada põllumajanduslikku tootmist ning toetas ka rahvastiku jätkuvat kasvu.

Sünteetilised väetised1913. aastaks oli alustatud sünteetiliste väetiste masstootmist, mille tulemusena suurenes saagikus ja toiduainete tootmine. 1930ndatel aastatel alustati graanulite kujul ning 1965. aastal pihustatava väetise turustamist. 1970ndatel aastatel müüdi uuendatud graanulväetist juba koduseks kasutamiseks. Viimased innovatsioonid hõlmavad näiteks aja jooksul kapslitest vabaneva väetise väljatöötamist, et vältida üleväetamist.

Hübriidtaimed ja Roheline RevolutsioonToidutoodangu mahu ja kvaliteedi parandamiseks alustati hübriidtaimede loomist juba 1870ndatel. Selleks tuvastatakse soovitavad taimeomadused ja omistatakse need valikulise ristamise teel hübriidile. Kui nende kasvatamisel hakati kasutama ka sünteetilisi väetisi, algas niinimetatud Roheline Revolutsioon. Selle alguseks loetakse Mehhikos 1943. aastal alanud massilist nisutootmist. 1964. aastaks toetus juba pea terve Aasia põllumajanduslik tootmine hübriidtaimedele ning sünteetilistele väetistele. Tänapäeval katsetatakse juba ka selliste hübriidsete maisi- ja kartulitaimedega, mis eritaksid oma lehtedest ja vartest pestitsiidi.

Fritz Haber

IV. TOIT JA PÕLLUMAJANDUS

Mügarbakterid liblikõieliste juurtel

Lämmastikutsükkel

IV.1. Väetised ja pinnase rikastajad

Bordeaux’ meetod ja fungitsiidid1882. aastal kasutas prantsuse botaanik Pierre M. A. Millardet viinamarjakasvatuses jahukaste-nimelise seenhaiguse tõrjeks esmakordselt Bordeaux’-nimelist vasksulfaadi ja kustutatud lubja vesilahust. Tänapäeval kasutatakse seda ka mitmete teravilja seenhaiguste tõrjeks. Tegemist on esimese laialdaselt kasutusele tulnud fungitsiidiga, mis viis teraviljasaagi kaitsmise kõrgemale tasemele. Keemilised uuendused fungitsiidide väljatöötamises jätkusid 1934. aastal ditiokarbamaadil ning 1996. aastal strobiluriinil põhineva fungitsiidi loomisega.

DDT ja pestitsiididPestitsiidid kaitsevad põllumajandussaadusi seennakkuste, kahjurputukate ning umbrohu konkureeriva mõju eest. 1939. aastal arendas Paul Mueller kartulimardikate ning muude kahjurite hävitamiseks välja odava putukatõrjevahendi DDT (diklorodifenüültrikloroetaan). Üle 20 aasta oli see aktiivses kasutuses. 1960ndatel hakati suuremat tähelepanu pöörama aga ohutumate alternatiivide loomisele, kuna kahurid olid DDT suhtes juba resistentseks muutunud. Lisaks tekitas DDT keskkonnale suurt kahju ja kuhjus ka inimorganismi. Tänapäeval kasutuses olevaid pestitsiide doseeritakse tunduvalt väiksemates kogustes, nii et need on talunike jaoks taskukohasemad, ohutumad ning ka keskkonnasõbralikumad.

Eluskarja kaitsmineLoomade tervise eest hoolitsemine näiteks vaktsineerimise või ravimite manustamise läbi on samuti meie toiduvarude kvaliteeti parandanud. 1881. aastal täiustas Louis Pasteur edukalt loomade vaktsineerimise tehnoloogiat, et tagada nende immuunsus katku tekitava organismi suhtes. 1981. aastal toodi turule parasiitidevastane ravim Ivermectin, mis aitab võidelda erinevate looma tervist mõjutavate sise- ja välisparasiitidega. Tänapäeval toimub uurimistöö niinimetatud hullu lehma tõve ehk siis veiste spongiformse entsefalopaatia ennetamiseks. Arvatakse, et seda põhjustavad loomade toidus leiduvad viiruslikud valguosakesed ehk priionid.

Farmides kasutatav tehnikaParalleelselt kemikaalide – väetiste, pestitsiidide – ja nende kasutamisvõimaluste ning ka niisutussüsteemide väljatöötamisega on viimase sajandi jooksul toimunud ka farmides kasutatavate masinate täiustamine. Viimased on drastiliselt suurendanud farmide efektiivsust ja produktiivsust. Üheks äärmiselt oluliseks uuenduseks oli 1904. aastal Benjamin Holti poolt loodud diiselõlil töötav traktor. Kaasaegsed traktorid, kultivaatorid, kombainid, niisutid, arvutiga kontrollitavad dosaatorid ning põllumajanduslikes protsessides rakendatav GPS-tarkvara on kõik välja töötatud tänu keemiateaduse edusammudele: naftal põhinevatele kütustele, uudsetele metallisulamitele ja plastikutele, rehvitehnoloogiale ning arvutitööstusele.

IV. TOIT JA PÕLLUMAJANDUS

DDT tõttu õhenenud

munakoored

Louis Pasteur

Kaasaegne kombain

Holti linttraktor

DDT kasutamine malaariaga võitlemisel

IV.2. Saagikaitse ja kahjuritõrje

Sahhariin ja magustajadKunstlikud magustajad töötati välja diabeetikutele ning dieedipidajatele, et võimaldada suhkrutarbimise paremat kontrolli all hoidmist. Esmalt lõi John F. Quenny 1901. aastal sahhariini. 1967. aastal hakati patenteeritud ensüümide abil tootma kõrge fruktoosisisaldusega maisisiirupit, millest sai kiiresti populaarne magustaja karastusjookides kasutamiseks. Aspartaami turustamist alustati Ameerika Ühendriikides 1985. aastal NutraSweet’i nime all. See 1955. aastal loodud madala kalorsusega magustaja oli tegelikult algselt välja töötatud aga maohaavandite raviks.

VitamiinidToidu biokeemia tundmaõppimine on toonud toitumises kaasa revolutsiooni, pakkudes lahendusi toidus vajalike ühendite puudujääkide korvamiseks. Esimeseks avastatud vitamiiniks oli A ehk beeta-karoteen, mis eraldati 1913. aastal võist ja ka munarebust. Vitamiin A-l on äärmiselt oluline roll nägemises ja kattekoe kaitsmises. Selle keemiline struktuur tuvastati 1931. aastal ning sünteesiti 1947. aastal. Alates 2001. aastast turustatakse Aasias pimeduse ja teiste ainepuudusest tingitud häiretega võitlemiseks geneetiliselt modifitseeritud riisi, mil sisaldab provitamiin A-d. Teise näitena eraldas Ungari biokeemik Albert Szent-Györgyi 1928. aastal neerupealistest askorbiinhappe, tänapäeval tuntud kui vitamiin C.

Edusammud tootmises ja säilitamisesTööstusliku toidukeemia juured ulatuvad 19. sajandi keskpaika, mil sakslane Justus Liebig alustas lihaekstrakti turustamist. Edusammud toidu töötlemises ja säilitamises võimaldavad tänapäeval seda pikaajaliselt säilitada. Selleks kasutatakse alates 1906. aastast külmkuivatamist, 1920. aastast sügavkülmutamist, 1939. aastast külmutatud toitude eelnevat kuumtöötlemist ning 1946. aastast vedelikest kontsentraatide tootmist.

Toidu ohutus ja kvaliteedikontrollNii põllumajandussaadused kui ka juba töödeldud toit võivad saastuda ning seeläbi inimese tervisele ohtu kujutada. Saastumine võib aset leida toidu ettevalmistamisel, töötlemisel, serveerimisel või säilitamisel. Toidu ohutust suurendavad edusammud keemia vallas hõlmavad kiireid testimismeetodeid mikroobide tuvastamiseks toidust ning võimaldavad toidu saastumisest tingitud epideemiate kiiret kontrolli alla saamist. Levinumatest toidupatogeenidest tingitud haiguste esinemine on kaasajal tublisti langenud.

IV. TOIT JA PÕLLUMAJANDUS

Liebigi lihaekstrakti reklaam

IV.3. Toidu töötlemine, käitlemine ja ohutus

Toidu pakendaminePlastik-, metall-, klaas- ja keraamilised pakendid aitavad toitu kaubanduses, transportimise ajal ning valmistamisel värskena hoida. Ralph Wiley leiutas 1930ndatel tööstuslikult rakendatava tsellofaani ning 1953. aastal tuli turule ka koduseks kasutamiseks mõeldud tsellofaankile. See osutus äärmiselt efektiivseks barjääriks hapnikule, niiskusele ja aroomidele ning seda erinevatel temperatuuridel ja niiskustingimustel. Tsellofaankile on vinüülideenkloriidist ja vinüülkloriidist koosnev kopolümeer. Lisaks tsellofaankilele tulid uudsete pakenditena 1960ndatel kasutusele alumiiniumpurgid jookide ja toidu tarbeks ning 1970ndatel polüetüleentereftalaadist (teatud plastik; PET) toodetud taaskasutatav pakend asendamaks klaasi ja alumiiniumit.

Külmikud ja freoonidAlates 1918. aastast on koduseks kasutamiseks loodud külmkapid parandanud värske toidu säilitamise ja transportimise võimalusi. 1920ndate alguses kerkis esile probleem – külmutuselemendis kasutatav vääveldioksiid osutus mürgiseks. Lahenduseks oli freoon-12, klorofluorosüsinik (CFC, CCl2F2), mida Thomas Midgley ja Charles Kettering 1931. aastal külmutuselemendis rakendama hakkasid. Külmikud muutusid peagi tavaliseks nii kodudes, restoranides kui ka toidupoodides. Tänapäevaks on aga freooni kasutamisse hakatud suhtuma ettevaatlikumalt, kuna avastati, et see lagundab Maa osoonikihti.

Mikrolaineahjud20. sajandil loodud kodumasinad on suurema osa toiduvalmistamisega seotud tööst ajapikku enda kanda võtnud. Üheks selliseks uuenduseks oli keemiateaduse edusammudest kantud mikrolaineahjude väljatöötamine. Väidetavalt seisis 1945. aastal Percy L. Spencer Raytheonis mikrolainekiirgust edastava radarsaatja kõrval, kui tema taskus olnud šokolaadibatoon hakkas sulama. Olles nähtust lummatud, kordas ta katset popkorniga ning mikrolaineahi oligi sündinud. Tema Radarange tuli juba 1940ndate lõpul tööstuslikes köökides kasutusele. Ka tänapäeval on selle populaase kodumasina tuumaks ikka veel Teise Maailmasõja ajal kasutusel olnud mikrolainekiirgust edastava saatja analoog.

Puhas vesiEdusammud keemiateaduses tagavad meile ohutud puhta vee varud, mis on vabad bakteritest, viirustest ning muust saastest. Uuendused selles vallas hõlmavad halba maitset ja lõhna neutraliseerivaid süsinikfiltreid, veepehmendajaid, raske-metallide eemaldajaid ja kaasaegset vee kogumise, puhastamise ning jaotamise tehnoloogiat. Kloori kasutati veepuhastusjaamades juba 1910. aastal ning 1913. aastal hakati sel otstarbel rakendama ka majapidamistes levinud valgendit. Klooril baseeruvad desinfitseerimisvahendid on jäänud tänapäevani olulisteks toiduga seotud patogeenide hävitajateks nii kodustes köökides kui ka toidu töötlemisega tegelevates asutustes.

IV. TOIT JA PÕLLUMAJANDUS

Jääkast (1890) ja kaasaegne külmkapp

Hüpoklorithappe molekul

IV.4. Toidu säilitamine