Етилен: властивості, використання, вплив на дозрівання та присутність у природі

Що таке етилен?

Етилен Це органічна хімічна сполука з формулою C2H4, також відомий як етен. Це безбарвний, легкозаймистий газ з характерним солодким і м'яким запахом, класифікується як найпростіший алкен через його подвійний вуглець-вуглецевий зв'язокЦя сполука є важливою як у промисловій хімії, так і в біологічних процесах, оскільки вона діє як газоподібний рослинний гормон який регулює численні фізіологічні процеси в рослинах.

На молекулярному рівні, Етилен складається з двох атомів вуглецю та чотирьох атомів водню. Завдяки своїй площинній структурі та наявності подвійного зв'язку всі атоми в молекулі лежать в одній площині, а кут між атомами водню становить приблизно 117,4°, що дуже близько до ідеального для sp²-гібридизованого вуглецю. Така конфігурація сприяє реакційній здатності етилену, особливо до електрофілів, що пояснює його численні промислові застосування.

В природі, Етилен – єдиний фітогормон газоподібної природи. та бере участь у таких процесах, як дозрівання плодів, старіння та опадання листя та квітівТаким чином, етилен — це набагато більше, ніж проста хімічна сполука: він є важливим гравцем у життєвому циклі рослин і опорою сучасної хімічної промисловості.

Фізичні та хімічні властивості етилену

Етилен представляє ряд фізико-хімічні властивості які визначають як їхню поведінку в природі, так і їхнє промислове використання:

• Зовнішній вигляд: безбарвний газ.
• Щільність: 1,178 кг/м³ за стандартної температури та тиску.
• Точка плавлення: приблизно –169 °C.
• Точка кипіння: близько –104 °C.
• Розчинність у воді: змішується, хоча й у низьких концентраціях.
• Займистість: Легкозаймистий, з межею вибуховості від 2,7% до 36% у повітрі.
• реактивність: Його подвійний зв'язок робить його дуже реакційноздатним по відношенню до електрофілів, що використовується в численних хімічних синтезах.

Ці характеристики роблять етилен відносно легким для обробки в контрольованих середовищах, але вони вимагають суворих заходів безпеки. безпека, особливо через його вогненебезпечність.

Молекулярна структура та реакційна здатність

Плоска структура молекули з її копланарними атомами дозволяє подвійному зв'язку діяти як область з високою електронною щільністю. Це сприяє реакції приєднання (особливо електрофіли), тому етилен є таким цінним сировиною в хімічній промисловості. УФ-видимий спектр етилену використовується для перевірки теоретичних методів завдяки його спектроскопічній простоті.

Шість атомів у копланарній структурі роблять молекулу придатною для використання в процесах, що каталізуються перехідними металами, які можуть взаємодіяти з π-орбіталями подвійного зв'язку.

Для чого використовується етилен?

Етилен Він відіграє ключову роль як у біологічних процесах рослин, так і в численних промислових секторах. Його використання можна розділити на дві широкі сфери: промислове застосування y біологічні функції.

Промислове застосування етилену

Етилен Це одна з найбільш широко вироблюваних органічних сполук у світі. Її важливість полягає в універсальності використання як сировини в хімічній промисловості, де її основні застосування включають:

• Виробництво поліетилену: Понад 50% світових поставок етилену використовується для виробництва цього пластику, який широко застосовується в пакетах, контейнерах, пляшках, трубах та покриттях для кабелів.
• Синтез розчинників та клеїв: Етилен є основою для отримання етиленгліколю та етилбензолу, які необхідні для виробництва розчинників, клеїв та текстильних волокон, таких як поліестер.
• Автомобільна та будівельна промисловість: Його використовують для виробництва синтетичного каучуку, необхідного для шин, прокладок та ізоляційних матеріалів.
• Хімічне виробництво: Такі як етиленоксид (попередник поверхнево-активних речовин та мийних засобів), етиленгліколь (антифриз), етилбензол (полістирол) та інші.
• Зварювання та різання металів: Через високу займистість його використовують як паливний газ у процесах зварювання та різання металів.

Біологічні функції етилену в природі

Етилен виділяється як a рослинний гормон незамінний, і його дія впливає майже на кожну фазу розвитку рослини. Деякі з його найважливіших функцій включають:

• Дозрівання плодів: Етилен прискорює дозрівання та відповідає за зміни кольору, текстури та смаку багатьох фруктів.
• Старіння та опадання: Він бере участь у процесі опадання листя, квітів і плодів, а також у старінні рослин.
• Реакція на стрес: Він виробляється у більшій кількості, коли є рани, нестача води, повені, спека або інфекції, допомагаючи рослині адаптуватися до несприятливих умов.
• Проростання та розвиток: Етилен бере участь у проростанні насіння, формуванні коренів та кореневих волосків, а також у перериванні періоду спокою бруньок у деяких видів.
• Регуляція вегетативних процесів: Він викликає епінастію (вигин молодих стебел вниз), збільшує товщину стебла та гальмує його подовження, залежно від виду та стадії розвитку.

Регулює всі фази життєвого циклу рослини, від проростання до загибелі та розкладання тканин.

Як виробляють етилен?

Етилен можна отримати як натуральної форми у живих організмах, таких як через промислові процесиДавайте розглянемо обидва випадки:

Природний біосинтез у рослин та мікроорганізмів

В рослинахЕтилен виробляється в усіх органах, з більшою інтенсивністю в меристематичних областях (зонах активного поділу клітин), зрілих органах, у відповідь на рани, стресові ситуації навколишнього середовища або під час дозрівання та старіння.

Процес біосинтезу етилену в рослинах включає перетворення амінокислоти метіоніну на S-аденозилметіонін (SAM), що призводить до утворення проміжного продукту, який називається 1-аміноциклопропіл-1-карбонова кислота (ACC), що каталізується ферментом ACC-синтазою. Цей проміжний продукт згодом окислюється ферментом ACC-оксидазою, утворюючи етилен, вуглекислий газ та синильна кислотаЕтилен, що утворюється таким чином, діє як внутрішньоклітинний та позаклітинний сигнал, регулюючи численні гени та фізіологічні реакції.

Окрім вищих рослин, різні мікроорганізми —включаючи деякі бактерії та гриби — можуть синтезувати етилен як частину свого метаболічного циклу. Існують фітопатогенні гриби, такі як Botrytis що утворюються під час розкладання рослин.

Промислове виробництво

Промислове виробництво етилену є важливим для задоволення світового попиту на поліетилен та інші хімічні речовини. Основний використовуваний метод - термічний крекінг вуглеводнів (також називається паровий крекінгЦей процес складається з наступного:

1. Вибір базового вуглеводню: Вони переважно використовують природний газ (етан, пропан) або нафту, отриману з нафти.
2. Нагрівання за високих температур: Вибрані вуглеводні піддають впливу температур вище 800°C для розриву молекулярних зв'язків.
3. Розділення та охолодження: Утворений етиленовий газ відокремлюють, охолоджують та конденсують.
4. очищення: Домішки видаляються та отримують етилен високої чистоти, готовий до промислового використання.

Де в природі знаходиться етилен?

El етилен Він присутній у різних середовищах та джерелах, як природних, так і штучних:

• Дозрівання фруктів та овочів: Клімактеричні фрукти (такі як яблука, банани, груші, помідори, авокадо та інжир) виробляють велику кількість етилену під час дозрівання. Деякі з них, як-от яблука, можуть виробляти до 2500 мкл/літр.
• Старіючі квіти та листя: Під час старіння та осені рослини та квіти виробляють етилен у більшій кількості.
• Стебла та коріння: Вегетативні органи, що ростуть або перебувають під стресом, є додатковими джерелами етилену.
• Мікроорганізми та гриби: Численні мікроорганізми виробляють етилен шляхом розкладання органічних речовин.
• Штучні джерела: Спалювання синтетичних матеріалів, вихлопні гази автомобілів, спалювання сміття, сигаретний дим та певне промислове обладнання можуть виділяти етилен у навколишнє середовище.

У післязбиральній та транспортній галузях етилен є особливо проблематичним, оскільки він може накопичуватися в закритих камерах і контейнерах, прискорюючи дозрівання та псування швидкопсувних продуктів.

Вплив етилену на фрукти, овочі, квіти та навколишнє середовище

Етилен Він діє як ключовий регулятор післязбирального періоду та якості рослинної продукції. Його основні ефекти включають:

• Прискорене дозрівання: Присутність етилену викликає швидке дозрівання, зміну кольору (із зеленого на жовтий або червоний), пом'якшення та розвиток ароматів і смаків у плодах.
• Зменшення терміну корисного використання: Накопичення етилену під час холодного зберігання або транспортування може значно знизити якість та термін зберігання фруктів, овочів та зрізаних квітів.
• Поширення патогенів: У присутності етилену деякі грибки та бактерії можуть розмножуватися швидше, прискорюючи псування рослинних продуктів.
• Старіння органів рослин: Етилен сприяє старінню та опаданню листя, пелюсток і плодів.
• Зміна смаку та текстури: У деяких випадках етилен може негативно змінити смак (наприклад, зробити моркву гіркою, якщо зберігати її поруч із яблуками).

Практичним доказом його дії є відома фраза: «Одне погане яблуко зіпсує всю купу», оскільки стиглий фрукт, виділяючи етилен, прискорює дозрівання та гниття інших фруктів навколо нього.

Технології для контролю та управління етиленом

Харчова промисловість розробила різні стратегії та технології для контролю виробництва та впливу етилену під час зберігання, транспортування та продажу фруктів і квітів:

• Контрольована атмосфера (AC): Вони полягають у зміні концентрації кисню, вуглекислого газу та етилену в камерах зберігання, щоб зменшити частоту дихання та уповільнити дозрівання.
• Очищувачі етилену: Використання фільтрів, що містять перманганат калію або бромоване вугілля, для поглинання газу та підтримки низького рівня, що забезпечує довший термін зберігання ваших продуктів.
• Інгібітори синтезу етилену: Хімічні речовини, такі як аміноетоксивінілгліцин (AVG) блокують вироблення етилену до збору врожаю, тимчасово затримуючи дозрівання.
• Інгібітори дії етилену: El 1-метилциклопропен (1-MCP) блокує етиленові рецептори в рослинних тканинах, зводячи до нуля реакцію на гормон, навіть якщо він присутній.
• Зберігання за оптимальних умов: Контроль температури та вологості мінімізує виробництво та вплив етилену.

Ці методи є важливими для експорту та міжнародного маркетингу фруктів і квітів, а також для зменшення післязбиральних відходів.

Стимуляція та пригнічення дозрівання за допомогою етилену

Контроль етилену дозволяє не тільки затримати дозрівання, але й прискорити це, коли це комерційно вигідно:

• Індуковане дозрівання: Екзогенне застосування етилену або регуляторів, що його вивільняють (таких як 2-хлоретилфосфонова кислота, більш відома як етефон) – це поширена практика для прискорення дозрівання та розвитку кольору й смаку бананів, плантанів, авокадо, груш та помідорів після збору врожаю.
• Комерційне забарвлення: Етилен допомагає знищувати хлорофіл у шкірці цитрусових (апельсинів), сприяючи більш привабливому кольору для споживача, не змінюючи їхньої внутрішньої стиглості.

Ефективність індукованого дозрівання залежить від таких факторів, як вид, ступінь розвитку плодів, температура, вологість, концентрація етилену та час експозиції.

Відмінності між клімактеричними та неклімактеричними плодами

Не всі фрукти однаково реагують на етилен. Існує дві широкі категорії:

• Клімактеричні плоди: Це ті, що продовжують дозрівати та збільшують виробництво етилену навіть після того, як їх видалили з рослини. Приклади: яблука, банани, груші, помідори, інжир, авокадо.
• Неклімактеричні плоди: Вони не демонструють значного збільшення вироблення етилену після збору врожаю та не дозрівають, якщо їх знімають зеленими (цитрусові, виноград, кавуни, перець, вишня).

Ця відмінність є важливою для післязбиральної обробки та міжнародного маркетингу.

Роль етилену в сільському господарстві та харчових технологіях

Маніпуляції з етиленом Це важливий інструмент у сучасному сільському господарстві та харчовій промисловості. Він дозволяє:

• Збільшення терміну придатності сільськогосподарської продукції контролюючи їхню концентрацію.
• Адаптувати пропозицію до комерційного попиту прискорення або уповільнення дозрівання.
• Зменшення економічних збитків пов'язане з перезріванням та псуванням.
• Оптимізація транспортування та експорту з фруктів, овочів та квітів.

Крім того, розуміння фізіології етилену дозволило розробити біотехнологічні рішення для

Вибирайте сорти з більшою стійкістю до негативних впливів або зі специфічною здатністю до виробництва етилену.

Небезпеки та ризики етилену для здоров'я та безпеки

Етилен не токсичний для людини. у звичайних концентраціях, але існують ризики, пов'язані з його використанням та зберіганням:

• Займистість та вибухонебезпечність: Основна небезпека полягає у високій займистості. У закритих приміщеннях або у разі витоку він може спричинити вибухи за наявності іскор або полум'я.
• Інгаляційна токсичність при високих концентраціях: Хоча він вважається низькотоксичним, вплив високих рівнів може викликати запаморочення, втому, головний біль, сплутаність свідомості та, в крайніх випадках, втрату свідомості.

Наявність належних систем вентиляції та газоаналізаторів є життєво важливими в промислових середовищах, де працює етилен, окрім використання засобів індивідуального захисту (ЗІЗ) та протоколів хімічної безпеки.

Джерела етилену в міському та промисловому середовищі

Окрім рослинних джерел, етилен також може бути присутнім у міському та промисловому середовищі в результаті:

• Викиди автомобілів: Вихлопні гази автомобілів містять етилен, що сприяє його накопиченню в міських умовах або в закритих контейнерах.
• Горіння синтетичних матеріалів: Чи то через спалювання сміття, чи то промислові викиди.
• Флуоресцентні лампи та сигаретний дим.

Забруднення етиленом може мати економічні наслідки, прискорюючи втрату продукції під час транспортування або зберігання.

Як вимірювати та контролювати етилен у сільськогосподарському та промисловому середовищі

Контроль етилену вимагає постійного моніторингу та спеціальних технологій:

• Детектори етилену: Спеціальні датчики, здатні вимірювати дуже низькі концентрації (в діапазоні частин на мільярд, ppb).
• Фільтри з перманганату калію: Вони видаляють та окислюють етилен з повітря і зазвичай використовуються в холодильних камерах та контейнерах.
• Сіфони та примусова вентиляція: Системи відкачування та оновлення повітря для запобігання накопиченню небезпечного газу.

Вибір найбільш підходящого методу залежить від типу продукту, умов зберігання та вимог до якості.