化学与科技 篇
推荐:古诗词欣赏  中考  高考  阅读:
  您的位置是为您服务教育网首页>>>化学频道>>生活中的化学(化学STS)>>化学与科技 篇>>属于未来的化学技术
属于未来的化学技术

  我们前面已经介绍了许多身边的化学现象,我们已经知道了无机化学、有机化学、物理化学以及分析化学这些分类。如果我们关注一下当今世界的科技主题的话,那我们就会不约而同地发现另一支现代化学技术的生力军,它就是现代科学的一大主题——生物化学,生物化学研究的动力是以应用为基点的,现在人们已从生物化学的应用中得益,人们已研究出了人工合成蛋白质——基因的技术。生物化学最诱人之处,就是在常温常压下酶的高效、有选择性的催化反应,这将有利于人们对生物生长进行控制。

  生物化学实际是一门结合了生物学与化学的前沿尖端科学。它研究生物有机体化学组成和性质,以及有机体内所进行的化学变化的科学。

  生物化学的应用便是生物工程科学,它是六七十年代逐步形成的一门新兴科学,现在已逐渐分成四大分支:包括微生物工程、酶过程、基因工程和细胞工程四大学科。

  对于生物化学的合成而言,除了许多有机合成和高分子合成技术外,酶工程居于举足轻重的地位。生物化学合成,一方面可认为是用化学合成的方法合成生物体内的化合物,尤其是生理活性物质;另一方面可认为是运用生物技术来合成化合物,尤其是酶技术来生产化合物。当然,有许多情况是将化学合成技术与生物合成技术密切结合,进行比较复杂的化合物或生理活性物质的合成。现在,有些化学反应或工业生产已经由生物技术代替,自从酶工程、基因工程相继在生产上得到应用后,部分化学合成又逐渐被生物合成取代的趋势。有资料报道,到卯年代,日本已有30%的化学合成被生物合成所代替。其好处是令人振奋的,设备费用将降低到原来的五分之一,而能源则可节省一半。化学合成与生物合成比较,各有优缺点。

  有许多化学反应可借助于微生物和酶的作用来实现,且效率高,副产物少。例如:

  ①水解反应。许多用酸或碱的水解反应,可用酶水解法代替,如蛋白质,多糖的水解,还能防止残基的构型变化。由淀粉制造葡萄糖,过去是用盐酸在高温高压下水解的,在水解的过程中,同时产生褐色的羟甲基糖醛及龙胆二糖。为了糖制葡萄糖,必须反复结晶,因而收率不高。用酶法水解淀粉,在常温常压下进行,副产物少,容易精制,收率高,成本低,现在已被广泛地运用。


  ②氧化作用,有机合成中常用到氧化反应,虽已研究出各种氧化剂,其中有些也有一定的选择性,但往往有一些副反应,为了氧化特定部位,还要把其它基因先行保护起来,氧化之后,还要去掉保护基,这样就增加了反应步骤。而用特定的氧化酶,则能高度选择地进行氧化,如由D-山梨糖醇作为原料生产维生素C,生物氧化法能一步氧化为L-山梨糖,即不要将其余羟基保护,也不会生成消旋型山梨糖。

  但是,酶虽然用途广泛,但其提取、分离、纯化却比较复杂,而且是很敏感的物质,易于变性和破坏,因此,最有实用意义的是人工合成模拟酶,这也是当今生物化学合成中一个非常活跃的领域。

  虽然生物合成技术在今天作用越来越明显,但它是建立在化学技术的日益深入和发展之上的,生物化学技术的合流是当今生命物质科学研究的最重要的基础和趋势,因为即使在最复杂的生命现象中,分析到最后,仍然是以化学变化的分析建立起来的。因此有人把生物化学技术,称为“未来的化学”,预示着它有着广阔的发展前途。

  化学合成与生物合成的比较

 

化学合成

生物合成

原料
设备
占地
耗能
投资
操作
压力
温度
爆炸
浓度
副产品
污染
提炼

较昂贵的化学品
多,一机专用






可能


严重

较廉价的农副产品
少,一机多用




常压
常温
不常见


较少

生命体中的“互通有无”

  在自然界中,我们所熟知的天然高分子化合物你知道有哪些吗?它们就在我们每天接触的米饭、馒头、蔬菜、肉类、蛋类等食品中广泛的存在。我们前面已经知道的淀粉,纤维素等天然高分子化合物就是我们与我们每日不可分离的物质。

  我们知道,淀粉大多存在于植物的种子中,如大米含80%、玉米含60%、小麦含70%,在薯类的块茎及干果中也大量存在,还有许多野生植物的种子或组织中也大量存在着。纤维素是植物纤维的主要成分,它和半纤维素、木质素等一起,构成了植物的骨架。棉花中90%以上是纤维素,其它如树木、麻、野生植物及各种作物的杆茎中也有大量的纤维素存在。

  但是,无论是淀粉,还是纤维素,它们都是生命有机现象中特有的天然高分子化合物。它们不像有机化合物中低分子类,如烃类、烯类只有碳、氢两种元素组成,而是由碳、氢、氧三种元素组成,并且它们这三种元素都符合Cx(H2O)y的通式,所以人们又把它称之为碳水化合物,以表示其组成相当于碳的水合物。

  例如淀粉的分子组成为(C6H10O5)n=[C6(H2O)5]n ,意思是在淀粉的分子中,氢、氧之比为2:1,整个淀粉分子是由n个小单位连接而成;同样,纤维素分字组成为(C6H10O5)m=[C6(H2O)5]m,也由m个小单位连接起来;当然,这里的m和n并不是相等的。纤维素的m在1000以上,而直链淀粉的n约在200~300之间。碳水化合物除了淀粉和纤维素之外,还有葡萄糖(C6H12O6)=C6(H2O)6和蔗糖C12H22O11=C12(H2O)11。由于在人体中,绝大部分能量来源及脂肪都是源于葡萄糖,因此,有时人也被戏称为碳水化合物。


  一般,我们为了区别这些天然高分子的碳水化合物,将类似葡萄糖这样的分子叫单糖,类似蔗糖这样的分子称为双糖,而淀粉、纤维素就叫做多糖,所有这些糖又都统称为酯。

  前面,我们知道了淀粉可被应用于调制工业用的淀粉糊[淀粉分为直链淀粉和支链淀粉,直链淀粉易溶于水,如豆类、灿米中直链淀粉较多,而支链淀粉则难溶于水,如糯米、面粉等遇水往往形成胶状而有粘性的糊状物],如在纺织工业中用它来做浆料,用以防止织布或织纱时发生中断。

  人们还利用淀粉可和葡萄糖转换的特性,用酶水解的方法在工业上制取葡萄糖。

  对于纤维素的利用,往往是和半纤维素或木质素联系在一起利用的。人们可用半纤维素经过水解、发酵制取酒精;人们还可以把木质素用无机酸分解,最后可以制造成肥料——氨化木素。这是一种很好的肥料,它对多种作物有增产效果,不仅提供作物生长所需要的氮素,而且施入土壤中后,经微生物作用,就被转化为胡敏酸(胡敏酸肥料是当前使用很广泛的一种新型有机肥料,是土壤腐殖质的成分之一,能直接参加作物体内的新陈代谢,调节其氧化还原作用,提高作物根系的呼吸强度,从而促进作物的生长发育;此外,还能改变土壤的结构和改良土壤的理化性状)。

  而对于纤维素来说,其用途更为广泛。

  纤维素是白色物质,在植物体中呈丝状,这种丝状物质是由许多胶束组成,每一胶束又包含约60个纤维素大分子。纤维素在浓酶或生物酸的催化作用下,会发生水解反应,最后得到葡萄糖。这里酸或酶的作用不仅浸透到纤维素分子束间的孔隙中,引起膨胀,同时会使分子链上各个小单位间的结合力削弱,以致使纤维素分子断裂:

  

  用纤维素生产的葡萄糖我们还可以进一步发酵来制取酒精呢!这样就可以节约大量淀粉原料。

  纤维素遇碱,只引起纤维素的膨胀,形成碱化纤维素,却仍然保持着原来的骨架。在生产上,人们利用这一化学原理将含纤维素原料和碱液一起蒸煮(所用碱液为NaOH和Na2CO3的混合液,加入Na2SO3是起缓和作用,防止纤维素破坏,并增加浆液的白度,特别对于木浆,更可有效地除去其中木质素)。这时木质素和半纤维素就溶解于碱液中,而与纤维素分离。得到的纤维素浆液,纯度较高,可用来造纸和制造人造纤维。分离后的废液,还可利用来再利用制造酒精、食用酵母、饲料酵母及生产长效肥料。

  看来,这些不怎么起眼的植物,如稻草、麦杆、竹子、树木中还藏着这么多的“秘密能量”呢!从上面我们介绍淀粉、纤维素的利用中,你发现了它们之间有个有趣的秘密了吗?如果你细心一点的话,你就会发现在淀粉、纤维素和葡萄糖这三种碳水化合物之间还会发生相互转化呢!这种利用化学合成的转化,实际上远远赶不上生命本身对于它们的转化,不信我们来看看自然界的庄俞体是如何“互通有无”的。

  前面,我们已经讲过了植物的光合作用。在这里我们着重分析它们之间的转化。这种转化首先是植物吸收了太阳光后,经过光合作用,发生了能量的交换,把光能转化成了化学能,而这些化学能以糖、淀粉的形式储藏起来。例如,当植物的绿叶吸取空气的CO2后,在光合作用,和由植物根部吸入的水分发生反应,形成葡萄糖同时放出氧气:

  6CO2+6H2OC2H12O6+6O2

  生成的葡萄糖一部分储藏起来,另一部分则运输到其他部位,或再转化为淀粉或纤维素:

  n(C6H12O6)→(C6H10O5)n+nH2O

  另一方面,淀粉在种子或叶子中受着酶的作用,也能分解为葡萄糖:

  (C6H10O5)nnC6H12O6

  在植物体的各个不同的发育期中,碳水化合物的生成和蓄积的动态是不同的。例如,在稻谷发芽时,种子中的淀粉迅速分解,因此糖分就迅速增加,通过糖分的生物氧化作用,供给幼苗初期生长所需能量。到了成熟期,水稻体其它各部分的淀粉含量不断减少,以可溶性糖的形态向穗部输送,稻穗中的淀粉则迅速蓄积。
  可见,三者之间的转化只是遵循一条原则,那就是“生命生长需要”这条最高的原则。人体中的这种转化也正是遵循这一原则。

  例如,我们吃在嘴里的一口饭,越嚼会越甜,这就是有一小部分米饭中的淀粉被唾液中的酶分解咸麦芽糖的缘故。食物进人胃肠后,又受到胰赃分泌出来的比唾液淀粉酶效力更强的胰液淀粉酶作用,继续水解形成葡萄糖,再通过小肠壁,被吸入血液中,当人体肌肉活动威工作需要能量时,潜藏着化学能的葡萄糖又被氧化,放出热量:

  C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O+686千卡

  多余的葡萄糖在肝脏中组合成动物性淀粉—肝糖而储存起来。肝糖是动物体内的储备糖,就像淀粉是植物的储备糖一样,也能被分解成糊精、麦芽糖、葡萄糖等,所以当人体需要营养时,肝糖就又再转化为葡萄糖。当然,在肝脏内肝糖的储量是有一定限度的,多余的葡萄糖还可以在细胞内转化为脂肪。人体中葡萄糖可以由一些蔬菜中的纤维素转化而来。当人体患糖尿疾病的时候,这时人体中胰脏分泌胰液的能力下降,因此病人常需要注射胰岛素(即胰液淀粉酶)来增加体内糖分的转化,从而维持身体的糖分平衡。

  可见,碳水化合物之间的相互转换是从一个最高的“生命需要”原则出发的,人们正是研究了这个原理,才对淀粉等天然离分子化合物积极利用的。


 -> 祝您健康 最新推荐
 -> 婴幼儿教育 最新推荐

推荐阅读
   家庭教育+幼儿教育+赏识教育
    为您服务教育网今日推荐

联系我们 本站搜索 要资料 请您留言 开心智慧吧 动画 笑话 安平影像 周恩来总理
为您服务教育网——全心全意为中国教育免费服务(Copyright© 2001-2017 河北·衡水) 安平明德小学 一小学前三班
冀ICP备06009845号