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(四) . 食物與農業的科技里程碑

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對於食物與農業發展,化學家與化學工程師有許多貢獻,讓我們得以種植、收成、消費豐碩有營養的食物。 在十九與二十世紀,一般餐桌上擺的是根菜地窖、花園或當地農場生產的食物:攪拌器裡的奶油、拴在後院的母雞下的蛋、花圃裡的蔬菜、儲藏在冰盒裡的肉、用燒煤或燒木頭的火爐烹煮。 過去一個世紀裡,我們的農場變得更有生產力,使得餐桌上的食物來源有相當巨大的改變,食物與飲水供給也變得很穩定。現代農夫採用新的化學發明,用肥料與殺蟲劑改良農產,並研發出許多種食物。增強食物風味、外觀、可得性與營養價值的新科技,使消費者受益良多。 這些化學進展有助於世界餵飽急速增加的人口。.

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對於食物與農業發展,化學家與化學工程師有許多貢獻,讓我們得以種植、收成、消費豐碩有營養的食物。

在十九與二十世紀,一般餐桌上擺的是根菜地窖、花園或當地農場生產的食物:攪拌器裡的奶油、拴在後院的母雞下的蛋、花圃裡的蔬菜、儲藏在冰盒裡的肉、用燒煤或燒木頭的火爐烹煮。

過去一個世紀裡,我們的農場變得更有生產力,使得餐桌上的食物來源有相當巨大的改變,食物與飲水供給也變得很穩定。現代農夫採用新的化學發明,用肥料與殺蟲劑改良農產,並研發出許多種食物。增強食物風味、外觀、可得性與營養價值的新科技,使消費者受益良多。

這些化學進展有助於世界餵飽急速增加的人口。

(四). 食物與農業的科技里程碑

(四).1. 肥料與土壤營養劑

固氮作用

哈柏法

化學肥料進展

綠色革命與混種植物

(四).2. 保護作物與蟲害管理

波爾多法與殺菌劑

DDT 與殺蟲劑

牲畜保護

農場機械化

(四).3. 食品加工:食物處理與安全

糖精與甘味素

維他命添加物

保存與製造進展

食品安全與測試

(四).4. 食品儲藏

食品包裝

冷凍劑與氟氯碳化物

微波爐

乾淨飲水

大事記

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(四). 食物與農業的科技里程碑

大事記

1881法國科學家巴士德 (Louis Pasteur)發現可供豬羊施打的碳疽熱疫苗。

1883丹麥化學家凱達爾 (Johan Gustav Kjeldahl) 研發出分析任何有機化合物中氮含量的方法。

1884法國植物學家密拉戴 (Pierre M. A. Millardet)發明抵抗葡萄霉菌的波爾多混合物。

1901孟山都公司創辦人奎尼 (John F. Quenny) 製造出糖精。

1913德國化學家哈柏 (Fritz Haber) 與柏許(Carl Bosch) 研發出量產阿摩尼亞的製程。

1913麥考倫 (Elmer V. McCollum) 與大衛 (Marguerite David) 在奶油與蛋黃中,發現維他命A。

1918「家榮華」公司發表第一部成功以壓縮機運轉的家用冰箱。

1933經過維他命D強化的牛奶開始進行商業販售。

1939瑞士化學家繆勒 (Paul Mueller) 發現 DDT 殺蟲劑的除蟲效果。

1943美國農業部的化學家研發出可供農場使用的噴霧殺蟲劑。

1953「陶式化學」公司發表家用莎綸包膜。

1964「綠色革命」:新混種植物與液態土壤肥料的應用,協助解決了開發中國家的營養問題。

1972美國禁用 DDT (匈牙利在一九六八年成為全世界第一個禁用 DDT 的國家)。

1974「孟山都」公司發表其多用途、非耕作性的全面除草劑。

1990經過新奇強化的食品,以及「營養食品」產品,在商業上大受歡迎。

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(四).1. 肥料與土壤營養劑

固氮作用

氮循環

固氮作用是微生物將較無活性的氮,轉化成無機氮化合物,然後以植物裡的蛋白質之類的有機氮化合物形式,再度出現在營養鍊中的一種重要天然過程。氮肥,尤其是硝酸鹽,在重度作物生產的過程中,通常都很缺乏。於是有人研發出許多商業製程,藉此生產氮肥,最有名的是合成阿摩尼亞的哈柏法。一九五六年發展出來的凱式法,可自動分析有機化合物中既有的氮量,藉以達到土壤化學均衡。

用來測定有機物質裡的氮量的凱式法儀器

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(四).1. 肥料與土壤營養劑

哈柏法

十九世紀末,世界人口增加,食物供給卻有限,人們日漸擔憂。農地土壤裡的氮被耗盡,用工業製作氮肥卻一直懸而未決,有些科學家已預期全世界會發生大飢荒。因此從空氣中製造氮化合物,便是當務之急。結果德國在一九○八年解決了這個問題,哈柏 (Fritz Haber) 發現阿摩尼亞合成原理,用上了當時所有可用的物理與化學資源。這種合成法是在高壓高溫下,透過鐵觸媒進行。任職於德國巴斯夫化學公司 (BASF) 的化學家柏許 (Carl Bosch) ,在一九一三年建立了第一套最新的工業用生產過程,讓二十世紀的農產與人口都得以成長。

哈柏

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(四).1. 肥料與土壤營養劑

化學肥料進展

從一九一三年開始,商業生產的合成肥料大大改善了作物收成與產量。化學肥料的基本生產創新此後不斷,其中包括一九三○年上市的顆粒肥料,以及一九六五年引進美國市場的懸浮肥料。到了一九七○年代,顆粒肥料經過進一步提煉,製成適合家用的混合肥料。

最近商用肥料的創新,有可避免環境經過施肥後,產生不良效應的定時控釋肥料。

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(四).1. 肥料與土壤營養劑

綠色革命與混種植物

從一八七○年代開始,帶有理想特質的混種植物就被創造出來,藉此增進食物產量與品質。有機化學辨識出理想的植物品質,將其轉接到連續混種上頭,並以化學肥料增大它們吸收氮的能力。

這些進展造就了所謂的「綠色革命」。綠色革命起源自墨西哥在一九四三年,首度在小麥生產上達到自給自足;到了一九六四年,在新的混種植物與土壤營養劑的協助下,亞洲大多數的人口都能被餵飽。

美國的農夫如今大加採用新品種的混種植物,像是會在葉與莖分泌殺蟲劑的玉米與馬鈴薯。

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(四).2. 保護作物與蟲害管理

波爾多法與殺菌劑

一八八二年,法國植物學家密拉戴 (Pierre M. A. Millardet) 採用一種硫酸銅與熟石灰的水溶劑(波爾多混合物),有效對抗法國葡萄園裡的霉菌。波爾多混合物如今用來控管會攻擊作物的許多種霉菌。這也是首度大規模採用殺菌劑,為化學保護作物帶來革命性的影響。農業殺菌劑的化學創新持續發展,二硫代氨基甲酸鹽殺菌劑問世在一九三四年問世,甲氧基丙烯酸酯殺菌劑則在一九九六年問世。

密拉戴

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(四).2. 保護作物與蟲害管理

DDT 與殺蟲劑

殺蟲劑保護農作物免受霉菌、害蟲與其他競爭植物的傷害。繆勒 (Paul Mueller) 在一九三九年研發出廉價殺蟲劑 DDT (二氯二苯三氯乙烷),用來控制馬鈴薯甲蟲等害蟲。 DDT 與其他類似的殺蟲劑,控制作物害蟲與病蟲害達二十多年。到了一九六○年代,民眾擔心 DDT 對環境會造成損害,並累積於人體內,加上害蟲的抗藥性與日俱增,導致新的殺蟲劑問世, DDT 遂逐漸式微。現今殺蟲劑已然少用,農夫負擔較少,工作人員健康更加安全,對環境也比以往更為友善。

用 DDT消滅瘧蚊

DDT 造成的蛋殼薄化

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(四).2. 保護作物與蟲害管理

牲畜保護

無論是施打疫苗還是藥物治療,治療動物疾病都能增加食物供給的品質與數量。巴士德 (Louis Pasteur) 在一八八一年成功擬定完美的動物施打疫苗技法,藉以使動物產生對抗導致炭疽熱生物的免疫力。

一九八一年,抗寄生的「愛滅蟲」問世,用來對抗各種虱子、害蟲、以及其他影響動物健康的內寄生蟲。目前的研究工作試著要預防狂牛病 (BSE) ,一般相信這種病是由藏有感染源的蛋白質動物飼料所引起的。

巴士德

巴士德為動物施打疫苗

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(四).2. 保護作物與蟲害管理

農場機械化

在跟有效運用農業化學物(肥料、殺蟲劑)與水的科技的需求彼此結合之下,農業化學與農場機械化在過去一個世紀內共同發展,大幅增進農場的效率與生產力。

美國發明家霍特 (Benjamin Holt) 在一九○四年,研發出柴油引擎曳引機。今日的曳引機、耕作機、打穀機、收割機、灌溉機、以電腦為主的應用科技、以及精密的 GPS 軟體,全都是拜化學創新所賜,像是石化燃料、結構材料(合金與先進塑膠)、輪胎科技、運算電子學等等。

霍特研發的爬行曳引機

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(四).3. 食品加工:食品處理與安全

糖精與甘味素

運用化學原理製造出來的人工甘味素,幫助糖尿病患者與減肥人士控制糖份攝取量。奎尼 (John F. Queeny) 在一九○一年,製造出人工甘味糖精。從一九六七年開始,利用一種受專利保護的酵素,將玉米糖漿的果糖甜度,從百分之十四提高到百分之四十二,所製造出來的高果糖玉米糖漿,很快成為各大軟性飲料的甘味素。阿斯巴甜在一九八五年,首度於美國販售;這種以 NutraSweet 之名上市的低卡路里強烈糖精,於一九五五年研發出來,當成抗潰瘍的可能用藥之一。

糖精的原始包裝

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(四).3. 食品加工:食品處理與安全

維他命添加物

生化科技為食物營養帶來革命性的發展,為飲食缺乏與欠缺維他命造成的營養不良,提供了解決之道。

化學在這個領域裡突飛猛進,看看首度發現維他命是什麼時候便可得知。維他命A(beta 胡蘿蔔素)在一九一三年,從奶油與蛋黃裡分離出來,是視力與保護上皮組織的重要營養素。維他命A的化學結構在一九三一年確定,在一九四七年首度合成。匈牙利生化學家塞特喬伊 (Albert Szent-Györgyi) 在一九二八年,從腎上腺裡分離出己糖醛酸(抗壞血酸),如今被稱為維他命C。

二○○一年,經過基因改造,會產生維生素A前驅體的「黃金米」抵達亞洲,對抗眼盲症及其他營養缺乏疾病。

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(四).3. 食品加工:食品處理與安全

保存與製造進展

食品化學的根源可追溯至德國人里比錫 (Justus Liebig) ,他在十九世紀中葉首度製造出肉類萃取物。食物保存與製造技法的進展,使我們得以創造出加工食品。隨著食品化學促進工業實作,許多加工食品都被研發出來。新科技也延長了食品的上架壽命,其中包括一九○六年的冷凍乾燥科技(凍乾法),一九二○年的急速冷凍食品,一九三九年的預先烹調冷凍食物,以及一九四六年的濃縮液。

里比錫肉類萃取物的昔日海報

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(四).3. 食品加工:食品處理與安全

食品安全與測試

任何天然農產品或經過烹調的食物,都有可能會受到污染,對人體健康產生不良影響。污染可能會在備餐、烹調、上菜或儲藏過程中產生。促進食品安全的化學進展,包括可偵測出微生物食物污染物,並控制食物產生之流行病的快速試驗法。美國自一九九七年到一九九九年,因為最常見的食物病原體所導致的病症,減少了百分之二十。

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(四).4. 食品儲藏

食品包裝

運用塑膠、金屬、玻璃與陶瓷科技包裝食物,有助於在銷售、運輸與烹調過程中保存食物。威利 (Ralph Wiley) 在一九三○年代發明工業用莎綸聚合物,家用莎綸包膜則於一九五三年問世,提供了隔絕氧氣、濕氣、氣味的絕佳屏障,以及可承受極度濕度與溫度條件的化學物。莎綸包膜是一種由偏二氯乙烯,以及氯乙烯組成的異量分子聚合物。其他創新則有在一九六○年代,使用鋁罐盛裝食物及飲料,以及在一九七○年代,使用 PET (聚對苯二甲二乙酯)做為替代玻璃與鋁的再生包裝容器。

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(四).4. 食品儲藏

冷凍劑與氟氯碳化物

冷凍技術自從一九一八年進入家庭開始,就改變了食物儲藏的方式,讓生鮮食物得以安全地輸送及儲藏。在一九二○年代早期,由於證實二氧化硫冷卻劑有毒,冰箱相當不受到歡迎。解決方案是採用米基利 (Thomas Midgley) 與凱特林 (Charles Kettering) 在一九三一年所製造的冷卻氣體氟里昂12,這是一種氟氯碳化物,又稱為 CFC 或 CCl2F2。冰箱很快就成為家庭、餐廳與雜貨店的標準配備。不過由於氟里昂會破壞地球臭氧層,其冷卻劑角色如今正在式微。

冰盒 (1890) 與家榮華製家用冰箱 (1926)

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(四).4. 食品儲藏

微波爐

二十世紀的家電產品,省下了大多數每日備餐的人力。微波爐就是其中一項化學進展促進的創新。據說在一九四五年,史班塞 (Percy L. Spencer) 當時站在雷神公司一座雷達發射機旁邊,而他口袋裡的一塊糖就開始融化。大感驚奇的他把糖換成爆米花,微波爐就這麼誕生了。他的 Radarange 微波爐在一九四七年問世,供工業廚房使用。時至今日,這種稱為「磁控管」的二次大戰微波發射器型號,依然是這種受歡迎家電的核心。

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(四).4. 食品儲藏

乾淨飲水

化學進展確保我們有安全的飲水供給,免受細菌、病毒以及其他有害污染物的侵襲。創新工作包括利用碳消除不好的味道與氣味,使用其他成分讓水質軟化並移除重金屬,使用現代科技處理飲水、供水與配水。用氯殺菌的水處理系統,在一九一○年便已實施,加用水漂白處理則於一九一三年引進。以氯為主的殺菌劑,依然是保障廚房與食物加工廠房,免於產生食品疾病的優良方法。

次氯酸的分子模型

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