高分子科學(xué)導(dǎo)論天然高分子材料

高分子科學(xué)導(dǎo)論天然高分子材料第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二NaturalPolymersNaturalpolymersarepolymersproducedbylivingorganisms.第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二NaturalPolymer天然高分子是指沒有經(jīng)過人工合成，天然存在于動(dòng)植物和微生物體內(nèi)的大分子有機(jī)化合物。天然高分子都是處在一個(gè)完整而嚴(yán)謹(jǐn)?shù)某肿芋w系內(nèi)，一般是多種天然高分子以高度有序的結(jié)構(gòu)排列起來。天然高分子作為可再生、可持續(xù)發(fā)展的資源，在能源問題日益緊迫的今天，開始表現(xiàn)出越來越重要的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略意義。人類對天然高分子的利用始終伴隨著人類的進(jìn)化與發(fā)展。與人的社會(huì)生產(chǎn)和生活密不可分。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二AdvantageoftheNaturalPolymers價(jià)格低廉、來源廣泛，在自然界動(dòng)植物中廣泛存在。第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二AdvantageoftheNaturalPolymers綠色、清潔、具有可生物降解性和可再生性，農(nóng)作物二氧化碳水陽光農(nóng)產(chǎn)品天然高分子提取可降解制品堆肥第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二DisadvantageoftheNaturalPolymers一般的天然高分子加工性能都很差，難以通過常用塑料的加工方法成型；力學(xué)性能、耐環(huán)境性能等存在缺陷，應(yīng)用范圍較窄；因此為了拓展天然高分子的應(yīng)用范圍、提高其使用性能，研究者們開始致力于天然高分子的改性研究，并已成為近年來的研究熱點(diǎn)。第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ClassificationoftheNaturalPolymers多聚糖類淀粉、纖維素、木質(zhì)素、甲殼素、多聚肽類蛋白質(zhì)、酶、激素、蠶絲。遺傳信息物質(zhì)DNA、RNA動(dòng)植物分泌物生漆、天然橡膠、蟲膠。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Polysaccharide第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Polysaccharide糖類通稱為碳水化合物，分為單糖、低聚糖和多聚糖三大類。單糖是最簡單的碳水化合物，如葡萄糖、果糖、木糖等。低聚糖是由二個(gè)至十個(gè)單糖分子經(jīng)由糖苷鍵連接而成的化合物。多糖是由十個(gè)以上的單糖分子經(jīng)由糖苷鍵連接而成的碳水化合物。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Polysaccharide自然界存在著大量的多糖類高分子淀粉纖維素殼聚糖第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ConformationofPolysaccharideOHOHOOHOHOHOHOHOOHOHOHα-D-Glucoseβ-D-GlucoseStarch(helix)Cellulose(sheet)OOHOOHOHOOHOOHHOOOOHOOHOHOOHOOHOHOOHOHOOHOHOHOα-D-GlucoseDextran(coil)OHOHOOOOOHOHOOHH第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Starch淀粉是自然界中產(chǎn)量僅次于纖維素的碳水化合物，是由D-葡萄糖通過α-糖苷鍵組成的多聚糖。未經(jīng)改性處理的淀粉稱為原淀粉，呈顆粒結(jié)構(gòu)有一定大小和形狀，水分含量高，蛋白質(zhì)少的淀粉顆粒較大。淀粉顆粒具有結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)占顆粒體積25%~50%。OOHOOHOHOOHOOHHOO淀粉（starch）是植物體中貯存的養(yǎng)分，貯存在種子、水果、塊莖、根莖中，各類農(nóng)作物中的淀粉含量都較高，大米中含淀粉62~86％，麥子中含淀粉57~75％，玉米中含淀粉65~72％，馬鈴薯中則含淀粉12~14％，是我們飲食中碳水化合物的主要來源。第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二SourceoftheStarch淀粉第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Topologyofstarch第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ModifiedStarch淀粉本身不具有熔點(diǎn)，加熱后容易發(fā)生分解和氧化反應(yīng)，因此需要進(jìn)行改性處理。物理變性：包括預(yù)糊化淀粉、γ-射線、超高頻輻射處理淀粉、機(jī)械研磨處理淀粉、濕熱處理淀粉等?；瘜W(xué)變性：用各種化學(xué)試劑處理得到的變性淀粉。其中有兩大類：一類是使淀粉分子量下降，如酸解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊精等；另一類是使淀粉分子量增加，如交聯(lián)淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等。酶法變性（生物改性）：各種酶處理淀粉。如環(huán)糊精、麥芽糊精、直鏈淀粉等。復(fù)合變性：采用兩種以上處理方法得到的變性淀粉。如氧化交聯(lián)淀粉、交聯(lián)酯化淀粉等。采用復(fù)合變性得到的變性淀粉具有兩種變性淀粉的各自優(yōu)點(diǎn)。第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ApplicationofStarch另外在石油工業(yè)、造紙工業(yè)、紡織工業(yè)等領(lǐng)域中淀粉也常被用做增稠劑、粘合劑、膠凝劑等不同的用途。第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Cellulose纖維素是自然界中存在量最大的天然高分子化合物。纖維素由很多D-吡喃葡萄糖單元以β(1-4)苷鍵連接而成。纖維素是高等植物細(xì)胞壁的主要成分，主要來源為木材等。纖維素具有一定的結(jié)晶性；纖維素的分子間存在非常強(qiáng)烈的氫鍵，使得其具有更高度的結(jié)構(gòu)有序性，耐化學(xué)腐蝕性和耐溶劑性。第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二SourceoftheCellulose棉花：是棉屬植物種子的表皮毛，是自然界純度最高的纖維。木材：是自然界中纖維素最主要的來源。草類：包括禾本科和竹科等植物的莖。第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ModificationoftheCellulose纖維素改性可以使之具有更好的溶解性和加工性。酯化無機(jī)酯包括碳酸酯、硝酸酯、磷酸酯等；有機(jī)酯包括醋酸酯、磺酸酯、氨基甲酸酯等。醚化羧甲基纖維素、羥烷基纖維素、甲基纖維素芳基和芳烷基纖維素等。接枝與交聯(lián)鹵化與氧化第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ApplicationoftheCellulose第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ApplicationoftheCellulose第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二纖維素通過水解可用于生產(chǎn)微晶纖維素和葡萄糖漿；通過接枝共聚等改性可得到具有各種新功能的材料，如抗酶抗菌材料、離子交換材料、膜材料、高吸水性材料等；通過化學(xué)和生物技術(shù)，將有可能生產(chǎn)出食品、燃料及多種基本有機(jī)合成原料。ApplicationoftheCellulose第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Chitosan殼聚糖的化學(xué)名稱為：β-(1,4)-聚-2-胺基-D-葡萄糖。殼聚糖具有較強(qiáng)的剛性結(jié)構(gòu)和強(qiáng)烈的分子間氫鍵作用，具有穩(wěn)定的結(jié)晶結(jié)構(gòu)因此具有較好的耐溶劑性和耐化學(xué)腐蝕性。殼聚糖分子結(jié)構(gòu)單元中含有氨基，因此具有較好的生理活性和吸附性。清洗，去除無機(jī)鹽和蛋白質(zhì)漂白、晾干hydrolysis蝦蟹殼ChitinChitosanChitin:x<<y;Chitosan:x>y第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ApplicationofChitosan殼聚糖具有較強(qiáng)的吸附性，可用于香煙過濾嘴和絮凝劑等殼聚糖由于具備良好的成膜性和抑菌性，因此被應(yīng)用在以下領(lǐng)域：醫(yī)用材料：醫(yī)用纖維和膜功能材料。保鮮劑：殼聚糖具有明顯的保鮮、防腐作用。第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Polypeptide第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Protein蛋白質(zhì)由C、H、O、N、S等元素組成，特種蛋白質(zhì)還含有銅、鐵、磷、鉑、鋅、碘等元素。組成蛋白質(zhì)的單體為氨基酸，蛋白質(zhì)水解得到各種α-氨基酸的混合物。僅有大約20種氨基酸是維持生命存在所必不可少的。在這20種氨基酸中，有11種可以在人體中合成，其余9種從食物中獲得。不同的組合方式使蛋白質(zhì)具有眾多不同的種類，從而也具有不同的性能。蛋白質(zhì)是由天然產(chǎn)生的不同種類的L-α-氨基酸以酰胺鍵(—CO—NH—)結(jié)合生成的共聚物，這些酰胺鍵也被稱為肽鍵(peptideIinkages)。第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ClassificationoftheProtein功能實(shí)例描述結(jié)構(gòu)蛋白膠原蛋白結(jié)締組織，包括：骨、軟骨、肌腱、血管角蛋白覆蓋保護(hù)組織：毛發(fā)、蹄、爪、羽毛、喙、指甲調(diào)控蛋白酶胰凝乳蛋白酶與消化行為有關(guān)，分解由胰腺分泌的多肽溶菌酶與消化行為有關(guān)，在許多天然產(chǎn)物如蛋清中存在，分解多糖。荷爾蒙緩激肽調(diào)控血壓；存在于血漿中胰島素維持葡萄糖的正常新陳代謝轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白血紅蛋白負(fù)責(zé)肺部到細(xì)胞的氧氣運(yùn)輸；細(xì)胞中廢二氧化碳的排除；存在于血紅細(xì)胞中肌血蛋白負(fù)責(zé)結(jié)合并存儲(chǔ)從血紅蛋白中獲得的氧氣。存在于肌肉組織中第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二StructureoftheProtein多肽鏈中氨基酸特征序列稱為一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）。鏈結(jié)構(gòu)單元之間的分子內(nèi)和分子間作用力（如氫鍵）使蛋白質(zhì)分子鏈段產(chǎn)生了特殊的固定的空間構(gòu)像，也就是蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）。三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）是指蛋白質(zhì)分子處于它的天然折疊狀態(tài)的三維構(gòu)象。具有二條或二條以上獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quarternarystructure）。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Secondarystructure蛋白質(zhì)多肽鏈的二級結(jié)構(gòu)描述其構(gòu)象或形狀，主要有兩種形式：α-螺旋結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子的肽鏈不是伸直展開的，而是盤繞曲折成為螺旋形。β-片層結(jié)構(gòu)：也稱折疊結(jié)構(gòu)，由相鄰兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)兩個(gè)氨基酸殘基間的碳基和亞氨基形成氫鍵所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。對于螺旋結(jié)構(gòu)，氫鍵存在于單個(gè)分子鏈中，而對于折疊結(jié)構(gòu)氫鍵存在于相鄰的鏈間。第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二TertiaryStructureoftheProtein纖維狀蛋白（Fibrousprotein）是一種長形、呈絲狀的蛋白質(zhì)粒子，僅存在于動(dòng)物體內(nèi)。球狀蛋白質(zhì)（Globularprotein）一般呈球狀，結(jié)構(gòu)緊密，溶于水。膜蛋白（Membraneprotein）是指能夠結(jié)合到細(xì)胞的膜上的蛋白質(zhì)的總稱。而細(xì)胞中一半以上的蛋白質(zhì)可以與膜以不同形式結(jié)合。三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤繞，折疊形成的。三級結(jié)構(gòu)主要是靠氨基酸側(cè)鏈之間的疏水相互作用，氫鍵，范德華力和靜電作用維持的。

第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Fibrousprotein纖維狀蛋白質(zhì)分子的形狀為線形。按構(gòu)象分為三類:α-螺旋結(jié)構(gòu)，如羊毛角蛋白、肌蛋白、血纖維蛋白、膠原蛋白；β-片層結(jié)構(gòu)，如羽毛中的p-角蛋白、蠶絲中的絲心蛋白(silkfibroin)；無規(guī)線團(tuán)，如花生蛋白、酪蛋白和卵蛋白。這類蛋白質(zhì)可一應(yīng)用到食品、化妝品、服裝以及環(huán)境友好材料中。第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Globularprotein多肽鏈自身扭曲折疊成特有的球形，如肌紅蛋白、血紅蛋白、酶等，都是球狀蛋白質(zhì)。這類蛋白質(zhì)具有較高的生理活性，因此常被應(yīng)用于藥物、保健品中。第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二EnzymeEnzymesareproteinsthatcatalyze(i.e.,increasetheratesof)chemicalreactions.Inenzymaticreactions,themoleculesatthebeginningoftheprocessarecalledsubstrates,andtheenzymeconvertsthemintodifferentmolecules,calledtheproducts.LockandKeymodelInduced-fitmodelHumanglyoxalase第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Enzyme高效性：酶的催化效率比無機(jī)催化劑更高，使得反應(yīng)速率更快；專一性：一種酶只能催化一種或一類底物，如蛋白酶只能催化蛋白質(zhì)水解成多肽；多樣性：酶的種類很多，大約有4000多種；溫和性：是指酶所催化的化學(xué)反應(yīng)一般是在較溫和的條件下進(jìn)行的。活性可調(diào)節(jié)性：包括抑制劑和激活劑調(diào)節(jié)、反饋抑制調(diào)節(jié)、共價(jià)修飾調(diào)節(jié)和變構(gòu)調(diào)節(jié)等。易變性：由于大多數(shù)酶是蛋白質(zhì)，因而會(huì)被高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等破壞。多聚糖Glycodidase、糖基轉(zhuǎn)移酶、磷酸化酶、纖維素酶、CGTase多聚肽二肽酰轉(zhuǎn)移酶（組織蛋白酶

C）、木瓜蛋白酶、α-胰凝乳蛋白酶、BPN（枯草桿菌蛋白酶）聚酯、

聚酰胺聚碳酸酯脂肪酶、蛋白酶、解聚酶芳香族聚合物山葵過氧化物酶（HRP）大豆過氧化物酶（SBP）第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二ApplicationofProtein第三十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Nucleicacid第三十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期二Nucleicacid核酸（nucleicac