13.Источники метана, стоки метана,Консерванты. Пищевые антиокислители

1

СН4
 

Метан – наиболее важный представитель органичес­ких веществ в атмосфере (рис.1). Его концентрация су­щественно превышает концентрацию остальных орга­нических соединений. В 60-е и 70-е годы количество метана в атмосфере возрастало со скоростью 1% в год, и это объяснялось хозяйственной деятельностью чело­вечества.

Рис.1. Молекула метана

Увеличение содержания метана в атмосфере способ­ствует усилению парникового эффекта, так как метан интенсивно поглощает тепловое излучение Земли в ин­фракрасной области спектра на длине волны 7,66 мкм. Метан занимает второе место после углекислого газа по эффективности поглощения теплового излучения Земли. Вклад метана в создание парникового эффекта составляет примерно 30% от величины, принятой для углекислого газа. С ростом содержания метана изменя­ются химические процессы в атмосфере, что может привести к ухудшению экологической ситуации на Земле. Естественно возникает вопрос об управлении химическими и физическими процессами, в которых принимает участие метан. Если молекулы метана попа­дают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы пере­носа и вступают в химические реакции, которые хоро­шо известны как качественно, так и количественно. Управление процессами непосредственно в атмосфере в глобальном масштабе практически исключено. До настоящего времени направленное воздействие на ат­мосферные процессы удавалось осуществлять только путем изменения мощности антропогенных источни­ков. Поэтому важно понимать природу естественных и антропогенных источников метана и оценивать их мощность с достаточной степенью достоверности.

Метан по происхождению бывает:

биогенным, если он возникает в результате химиче­ской трансформации органического вещества;

бактериальным (или микробным), если он образуется в результате деятельности бактерий;

термогенным, если его возникновение обязано термохимиче­ским процессам;

абиогенным, если он возникает в результате химических ре­акций неорганических соединений.

Бак­териальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пище­варения в желудках насекомых и животных (преимуще­ственно жвачных). Термогенный метан возникает в оса­дочных породах при их погружении на глубины 3–10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и дав­лений. Абиогенный метан образуется обычно на больших глубинах в мантии Земли.

В настоящее время общее количество метана в атмо­сфере оценивают в пределах 4600–5000 Тг (Тг = 1012 г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а оке­аны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8–12 лет.

Метан находится в атмосфере в основном в призем­ном слое, который называется тропосферой и толщина которого составляет 11–15 км. Концентрация метана мало зависит от высоты в интервале от поверхности Земли до тропопаузы, что обусловлено большой ско­ростью перемешивания по высоте в пределах 0–12 км (1 месяц) в сравнении со временем жизни метана в ат­мосфере.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропоген­ных источников в настоящее время существенно пре­вышает мощность естественных. К естественным ис­точникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые (главным образом термиты), метангидраты, геохимические процессы. К антропогенным – рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и неф­ти, горение биомассы, свалки. Относительное распределе­ние источников по их мощности дано на рис.2.

 

Рис. 2. Доли отдельных источников в общем потоке метана в атмосферу

Из данных рис.2 видно, что болота, рисовые поля и животные вносят доминирую-щий вклад в образование общего потока в атмосферу. Природа образования мета­на в таких источниках, как болота, озера, рисовые поля, жвачные животные, насекомые, свалки, примерно оди­накова – ферментативная переработка клетчатки.

Интенсивность выделения метана из болот меняется в широких пределах. Эмиссия метана от западносибирских болот, которые являются доста­точно типичным представителем северных болот, оп­ределенная с применением методов газовой хромато­графии, составляет примерно 9 мг метана в ч/м2. В среднем эмиссия метана из сибирских болот может до­стигать 20 Тг/год, что довольно много в сопоставлении с общим потоком метана от болот (50–70 Тг). Нужно сказать, что точность определения эмиссии метана от болот затруднена большим разбросом величин эмиссии при измерении даже на близко расположенных участ­ках. Например, величина эмиссии метана в западно­сибирских болотах колебалась в интервале от 0,1 до 40 мг/( м2⋅ч). Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана вну­три полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток мета­на с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/( м2⋅ч).

Количество крупного рогатого скота в мире – около 1,5 млрд голов. Одна корова производит в сутки около 250 л чистого метана. Этого количества метана хватит, чтобы вскипятить 20 л воды. В развитых странах на свалки вывозится примерно 1,8 кг мусора в день в рас­чете на одного человека, в России 0,6 кг соответствен­но. Примерно 10% этой массы может конвертировать­ся в метан. Следовательно, в России производится 60 г метана в сутки в расчете на одного человека.

Шахтный метан возникает в процессе трансформа­ции органических остатков в уголь под влиянием высо­ких давлений и температур. Можно считать, что в глу­бинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое ко­личество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, кото­рые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан. Добыча 1 т угля со­провождается выделением 13 м3 чистого метана.

Аналогичный механизм образования метана на­блюдается и при горении биомассы. Основной источ­ник метана, выделяющегося при горении биомассы, находится в Африке, где широко практикуется сжига­ние соломы при подготовке почвы для нового урожая. Использование дерева для приготовления пищи и отопления дает незначительный вклад. Страны бывшего СССР производят около 5–15% от общего по­тока метана в атмосферу.

Таким образом, роль метана в экологических процессах исключитель­но велика. В настоящее время насущной задачей для многих регионов земного шара, и в том числе для Рос­сии, являются инвентаризация существующих источ­ников метана, выявление и прогнозирование появле­ния новых источников.

В России более детальному исследованию следует подвергнуть те источники метана, мощность которых определена с недостаточной точностью. Прежде всего это болота, и особенно болота Западной Сибири. Важ­ной является проблема образования и транспорта ме­тана в болотах внутри водной фазы. Залежи метангидратов интересны не только с точки зрения воз­действия на климат планеты при их дестабилизации, но и с целью промышленного использования. Рацио­нальное использование отходов, например для получе­ния тепловой энергии, может решить проблему свалоч­ного газа. Еще одна проблема носит экологический характер. В настоящее время трудно сомневаться в том, что происходит постепенное потепление климата, хотя и гораздо меньшими темпами, чем предполагалось ра­нее. Повышение температуры планеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение темпе­ратуры на один градус меняет интенсивность выделе­ния метана в микробиологических процессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%. Потенциаль­но опасный источник метана, который может вклю­читься при повышении температуры, – это гидраты метана. Запасы метангидратов огромны. Повышение температуры вызовет дестабилизацию метангидратов и начнется их распад, что иногда наблюдается и сейчас. В настоящее время оценка мощности потока метана от метангидратов невелика и составляет около 1% от об­щего потока. Увеличение поступления потока метана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повыше­нии температуры атмосферы, что будет иметь огром­ные негативные последствия.

2

Консерванты — вещества, продлевающие срок хранения продуктов, защищая их от порчи, вызванной микроорганизмами (бактерии, плесневые грибы, дрожжи, среди которых могут быть патогенные и непатогенные виды).

В настоящем разделе мы остановимся только на химических консервантах, добавляя которые удается замедлить или предотвратить развитие микрофлоры: бактерий, плесневых грибов, дрожжей и других микроорганизмов, или замедлить обмен веществ в них, а следовательно,

продлить сохранность продуктов питания. Антимикробные вещества могут оказывать бактерицидное действие (убивать, уничтожать бактерии) или бактериостатическое (останавливать, замедлять рост и размножение бактерий, не уничтожая в то же время их полностью), фунгистатическое (угнетающее грибы) или фунгицидное (убивающее грибы) действие. Некоторые консерванты, разрешенные для применения в Российской Федераци:

 

Сорбиновая кислота Е200

Бензойная кислота Е210

Бензоат натрия Е211

Бензоат калия Е212

Серы диоксид Е220

Сульфит натрия Е221

Гидросульфит натрия Е222

Формиат натрия Е237

Гексаметилентетрамин Е239

Ацетат калия Е261i

Диацетат калия Е261ii

 

Их эффективность, способы применения зависят от их химической природы, концентрации, часто от рН среды. Многие консерванты более эффективны в кислых средах; для снижения рН среды иногда добавляют пищевые кислоты (уксусную, яблочную, молочную, лимонную и другие). При низкой концентрации отдельных консервантов они могут использoваться микроорганизмами в качестве дополнительного источника углерода и, наоборот, способствовать размножению последних.

Эффективность некоторых консервантов по отношению к микроорганизмам:

Консервант	Бактерии	Дрожжи	Плесневые грибы
Нитриты	++	-	-
Сульфиты	++	++	+
Муравьиная кислота	+	++	++
Пропионовая кислота	+	++	++
Сорбиновая кислота	++	+++	+++
Бензойная кислота	++	+++	+++
Оксибензоаты	++	+++	+++
Дифенил	-	++	++

Примечание: — неэффективен; + малая эффективность; ++ средняя эффективность; +++ высокая эффективность.

Консервант должен:

• иметь широкий спектр действия;
• быть эффективным против микроорганизмов, содержащихся в данной пищевой системе;
• оставаться в продукте в течение всего срока хранения;
• предупреждать образование токсинов;
• не оказывать влияния на органолептические свойства пищевого продукта;
• быть технологичным (простым в применении);
• быть дешевым.

Консервант не должен:

• быть физиологически опасным;
• вызывать привыкания;
• реагировать с компонентами пищевой системы;
• создавать экологические и токсикологические проблемы в ходе технологического потока;
• влиять на микробиологические процессы, предусмотренные при производстве отдельных пищевых продуктов данной технологией.

 

Пищевые антиокислители

К пищевым антиокислителям (антиоксидантам) относятся вещества, замедляющие окисление в первую очередь ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов (функциональный класс 5). Этот класс пищевых добавок включает три подкласса с учетом их отдельных технологических функций: 1) антиокислители; 2) синергисты антиокислителей; 3) комплексообразователи.

Ряд соединений: лецитины — Е322; лактаты — Е325, Е326; Е327 и некоторые другие выполняют комплексные функции. Перечень некоторых антиокислителей, разрешенных для применения в РФ, приведен ниже:

 

Аскорбиновая кислота Е300

Аскорбат натрия Е301

Аскорбат кальция Е302

Аскорбат калия Е303

Аскорбилпальмитат Е304

Альфа-токоферол Е307

Гамма-токоферол синтетический Е308

Лецитины Е322

Лактат натрия Е325

Лактат калия Е326

Лимонная кислота Е330

 

Использование антиокислителей дает возможность продлить срок хранения пищевого сырья, полупродуктов и готовых продуктов, защищая их от порчи, вызванной окислением кислородом воздуха.

Кверцетин, дигидрокверцетин — производные флавонов, получают из коры дуба, лиственницы и из некоторых других растений. Обладают сильными антиокислительными свойствами, которые усиливаются в присутствии лимонной и аскорбиновой кислот. Применяются при изготовлении специальных жиросодержащих продуктов, для пропитки упаковочных материалов.

 

 Лимонная кислота Е330 и ее соли — цитраты натрия Е331, калия Е332, кальция Е333 являются регуляторами кислотности, стабилизаторами и комплексообразователями.  Лимонная кислота обладает приятным, мягким вкусом; применяется в производстве плавленых сыров, кондитерских изделий, майонезов, маргаринов, рыбных консервов.

Винная кислота Е334 — синергист антиокислителей, комплексообразователь, соли винной кислоты — тартраты Е335, Е336, Е337 — комп-лексообразователи.

Антиокислительные свойства проявляют также некоторые пряности и их экстракты: анис, кардамон, кориандр, укроп, фенхель, имбирь, красный перец. Некоторые из них повышают стойкость жиров в два, три раза