SP-202 Tehnologia alimentară aerospațială

sesiunea

SINTEZA ALIMENTARĂ PRIN METODE FIZICOCHIMICE JACOB SHAPIRA NASA Ames Research Center

[133] Pe măsură ce misiunile spațiale devin din ce în ce mai lungi, este evident că la un moment dat un sistem care va recupera cel puțin parțial alimente utile din produsele metabolice va oferi avantaje nete ale misiunii. S-au făcut o serie de previziuni cu privire la durata misiunii care ar fi necesară înainte ca regenerarea alimentelor să aibă ca rezultat economii. Folosind doar informații foarte fragmentare, General Dynamics Co. În 1966 a ajuns la concluzia că, pentru o misiune de 6000 de oameni pe zi (adică o misiune pe Marte cu un echipaj de 10 oameni), regenerarea fizico-chimică a carbohidraților ar duce la economii în greutate și volum ale sistemului de aprovizionare cu alimente (ref. 1 și 2) ). Într-un studiu similar, Lockheed Missiles and Space Co. a ajuns la o concluzie foarte asemănătoare (ref. 1 și 3).

MOTIVE PENTRU DIETELE SPATIALE CARE CONȚIN NUTRIENȚI REGENERATI

Mâncarea în sensul său cel mai de bază este orice substanță preluată și asimilată de o plantă sau de un animal pentru ao menține în viață și a-i permite să crească. Substanțele în sine, în funcție de sursă, sunt în general amestecuri foarte complexe de materiale organice și săruri anorganice. Cu toate acestea, principalele materiale solicitate de om sunt relativ limitate ca număr și sunt compuse în principal din proteine, grăsimi și carbohidrați.

Componentele proteice ale dietei noastre sunt un număr mare de polimeri complecși de aproximativ 20 de compuși organici simpli, aminoacizi, dintre care doar 8 sunt esențiali pentru un om, deoarece nu pot fi sintetizați de organism. Cerința minimă pentru proteine ​​a fost variat estimată a fi între 50 și 75 g/zi.

Grăsimile sunt compuse în mare parte din glicerol, combinate cu acizi grași saturați și nesaturați cu lanț lung. Doar câțiva dintre acizii grași polinesaturați sunt considerați esențiali pentru oameni și sunt necesari în cantități foarte mici, poate doar 1 - 2 g/zi.

Glucidele din dieta noastră sunt polimeri ai compușilor organici relativ simpli, în primul rând hexoză zahăr glucoză. Nu se știe dacă există o cerință minimă pentru carbohidrați. Cu toate acestea, o dietă care conține exclusiv proteine ​​și grăsimi ar putea fi de așteptat să provoace dificultăți în metabolism din cauza încărcării foarte mari de azot și a cetozei asociate cu dietele foarte bogate în grăsimi. În plus, dieta noastră conține cantități relativ mici de săruri, acizi nucleici, vitamine și oligoelemente.

În dieta tipică americană, componentele chimice majore sunt cele prezentate în tabelul I. Nu că jumătate din calorii sunt derivate din hexozele prezente în carbohidrați, aproximativ o treime din calorii provin din acizi grași din grăsime, iar restul sunt compuse din aminoacizii din proteină și din conținutul de glicerol al grăsimii. Mineralele, vitaminele și alte componente ale dietei contribuie practic fără calorii.

[134] TABEL I. COMPONENTE CHIMICE PRINCIPALE ALE DIETEI AMERICANE TIPICE

Trebuie subliniat faptul că nu are nicio diferență pentru organism dacă aceste substanțe provin dintr-un aliment de origine naturală sau sunt sintetizate prin metode biologice sau fizico-chimice in vitro. Considerentul principal este că materialul să fie sigur și acceptabil ca hrană.

Se pot scrie ecuații pentru catabolismul substanțelor alimentare de către organism. În cazul (1) proteine ​​(carne), 12) grăsimi (tripalmitin) și (3) carbohidrat (amidon), aceste ecuații pe bază de carbon pe carbon sunt, respectiv,

(1) C 1,00 H 1,67 O 0,22 N 0,27 + 1,00 O 2 -> 0,80 CO 2 + 0,30 H 2 O + C 0,20 H 1,07 O 0,32 N 0,27

(2) C 1,00 H 1,92 O 0,12 + 1,42 O 2 -> 1,00 CO 2 + 0,96 H 2 O

(3) C 1,00 H 1,67 O 0,83 + 1,00 O 2 -> 1,00 CO 2 + 0,83 H 2 O

Se poate scrie o ecuație netă pentru catabolismul dietei prezentat în tabelul I după cum urmează, din nou pe bază de carbon:

C 1,00 H 1,74 O 0,46 N 0,08 + 1,12 O 2 -> 0,94 CO 2 + 0,72 H 2 O + C 0,06 H 0,30 O 0,09 N 0,08

Se vede că 94% din carbonul alimentelor noastre este expirat ca dioxid de carbon și că 83% din hidrogen este transformat în apă. Doar cantități relativ mici de material sunt excretate în urină și fecale.

Acum să postulăm un sistem în care dioxidul de carbon și apa s-ar transforma, numai prin mijloace chimice, în carbohidrați. Și, în plus, să postulăm că acest carbohidrat ar conține aproximativ 85% din dietă. Restul dietei ar fi compus din alte componente esențiale ale alimentelor mai greu de sintetizat, cum ar fi proteine, grăsimi, vitamine și altele asemenea, care ar fi transportate în misiune. Catabolismul unei astfel de diete de către organism este prezentat de următoarea ecuație:

C 1,00 H 1,67 O 0,72 N 0,04 + 1,01 O 2 -> 0,97 CO 2 + 0,75 H 2 O + C 0,03 H 0,17 O 0,05 N 0,04

Trebuie remarcat faptul că o proporție și mai mare din această dietă este convertită în dioxid de carbon și apă decât cea a unei diete tipice și că, în toate scopurile practice, alte produse de excreție decât dioxidul de carbon și apa pot fi aruncate dintr-un sistem regenerativ. Se produc mai mult decât suficient dioxid de carbon și apă pentru a permite resinteza a 85% din dieta care este carbohidrații. O astfel de dietă care conține 85% carbohidrați ar trebui să fie sigură și acceptabilă și, de fapt, poate fi mai sănătoasă decât dieta americană actuală, cu grăsimi și proteine ​​excesive.

S-a acordat o atenție serioasă problemei sintezei proteinelor (ref. 4) și a grăsimilor (ref. 5) în mediul aerospațial. Din păcate, se pare că vor fi necesare procese foarte complicate [135] pentru sinteza lor și, după toate probabilitățile, sistemele automate nu ar fi economice nici măcar pentru misiunile spațiale de lungă durată.

SELECȚIA NUTRIENȚILOR PURI

Ipoteza este că anumiți carbohidrați sau substanțe nutritive asemănătoare carbohidraților prezenți în dietele noastre pot fi transformați într-o fracțiune majoră din alimentele regenerate. Orice astfel de substanță trebuie să fie sigură și acceptabilă ca hrană, să cuprindă o parte semnificativă a dietei și să fie ușor sintetizată cu o fiabilitate ridicată (ref. 6).

În timpul metabolismului normal, moleculele mari de alimente sunt descompuse în molecule succesiv mai mici, care ar putea fi sintetizate relativ ușor. S-a sperat că unele dintre acestea ar putea fi tolerate atunci când sunt ingerate în cantități mari. Acest lucru nu s-a dovedit a fi cazul. De exemplu, triozele, gliceraldehida și dihidroxiacetona care apar din catabolismul glucozei ar putea fi tolerate de șobolani în cantități mici.

Literatura a fost examinată pentru a raporta compuși care ar putea fi consumați în cantități foarte mari pentru perioade prelungite. Există puțini astfel de compuși. Toxicologia cunoscută a uneia dintre acestea, glicerina, este comparată cu cea a zahărului normal din sânge, glucoza, în tabelul II (ref. 7).

TABELUL II. TOXICITATEA GLUCOZEI ȘI GLICEROLULUI

La mai multe specii, se poate observa că glicerolul administrat oral nu este probabil mai acut toxic decât glucoza, care se știe că este extrem de acceptabilă ca un procent mare din dietă. Alți compuși cu greutate moleculară redusă despre care s-a raportat că au o toxicitate scăzută sunt diglicerolul, triglicerolul, poliglicerolul, propandiolul și triacetina. Acest ultim compus este cea mai simplă grăsime de lanț și provine din esterificarea glicerolului cu acid acetic.

Glicerolul a fost administrat atât persoanelor normale, cât și celor bolnavi, în cantități mari, pentru perioade lungi de timp. În studiul clasic al lui Johnson, Carlson și Johnson (ref. 8), 14 subiecți au consumat fiecare 110 g/zi de glicerol timp de 50 de zile. Această cantitate de glicerol a reprezentat aproximativ 20% din necesarul de calorii al subiecților și nu s-au observat efecte nocive. În același studiu, animalele au fost hrănite cu cantități și mai mari de glicerol timp de 50 de săptămâni; din nou, nu au existat dovezi de toxicitate.

[136] În ultimii ani, au existat rapoarte privind administrarea de glicerol la peste 1000 de pacienți cu glaucom (ref. 9), creșterea presiunii intracraniene (ref. 10) și diabet (ref. 11). Pacienții au consumat până la 300 g/zi, ceea ce reprezintă mai mult de jumătate din necesarul de alimente. Este evident că glicerolul poate fi în siguranță o parte substanțială a dietei, indiferent dacă provine dintr-o sursă naturală, cum ar fi grăsimea, sau este sintetizat din produse metabolice.

Dovezile pentru siguranța ingestiei de propilen glicol, triacetină și alți alți compuși de către oameni sunt limitate. Cu toate acestea, acestea sunt în general recunoscute ca fiind sigure de către Administrația SUA pentru Alimente și Medicamente (ref. 12). Aceste materiale au fost testate destul de mult pe animale și există un motiv întemeiat să credem că pot fi consumate în siguranță și în cantități semnificative de către oameni.

Situația cu zaharurile de formoză care apar din autocondensarea formaldehidei este mai slabă. Toate studiile raportate până acum indică faptul că amestecul nepurificat provoacă o tulburare gastro-intestinală atunci când este hrănit animalelor. Acest lucru se poate datora prezenței unui număr limitat de componente ale amestecului a căror formare poate fi evitată prin alegerea adecvată a condițiilor și/sau a catalizatorului. Alternativ, componentele nedorite ar putea fi îndepărtate din produsul brut prin fracționare.

SELECȚIA CĂILOR FIZICOCHIMICE

Materiile prime disponibile pentru sintezele fizico-chimice sunt dioxidul de carbon și apa. În prezent sunt disponibile prototipuri de aparate pentru electroliza apei, fie în fază lichidă, fie în fază gazoasă, pentru a produce oxigen, care poate fi reciclat prin cabina navei spațiale și subprodusul de hidrogen (ref. 13). Un proces destul de bine dezvoltat folosește acest hidrogen pentru a produce metan și apă (ref. 14). Apa este de mare puritate și poate fi fie electrolizată în oxigen și hidrogen, fie consumată de echipaj. Metanul poate fi fisurat pentru a produce carbon și hidrogen, deși această reacție pare a fi dificil de realizat în practică.

În consecință, metanul produs ca produs secundar al sistemului de control al atmosferei a fost considerat a fi disponibil pentru sinteza alimentelor. Calea prevăzută pentru sinteza glicerolului și a zaharurilor de formoză a fost:

Astfel, metanul ar fi transformat în formaldehidă (HCHO) care ar putea fi condensată direct în zaharuri formozice sau condensată în trioze care ar fi redusă catalitic la glicerol. Căile posibile care duc de la metan la propilen glicol, acid acetic și alte molecule simple care ar putea fi utilizate ca alimente nu vor fi discutate. Cu toate acestea, nu ar trebui să fie dificil să concepeți metode pentru realizarea conversiilor dorite.

Este de interes să scrieți un set complet echilibrat de ecuații care să descrie unele dintre aceste conversii: