高分子科學導論天然高分子材料通用PPT課件

1、高分子科學導論天然高分子材料Natural PolymersNatural polymers are polymers produced by living organisms.Natural Polymer天然高分子是指沒有經(jīng)過人工合成，天然存在于動植物和微生物體內(nèi)的大分子有機化合物。天然高分子都是處在一個完整而嚴謹?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化與發(fā)展。與人的社會生產(chǎn)和生活密不可分。Advantage of the

2、Natural Polymers價格低廉、來源廣泛，在自然界動植物中廣泛存在。Advantage of the Natural Polymers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Disadvantage of the Natural Polymers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；力學性能、耐環(huán)境性能等存在缺陷，應用范圍較窄；因此為了拓展天然高分子的應用范圍、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。Classification of the Natural Po

3、lymers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動植物分泌物生漆、天然橡膠、蟲膠。PolysaccharidePolysaccharide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。低聚糖是由二個至十個單糖分子經(jīng)由糖苷鍵連接而成的化合物。多糖是由十個以上的單糖分子經(jīng)由糖苷鍵連接而成的碳水化合物。Polysaccharide自然界存在著大量的多糖類高分子淀粉纖維素殼聚糖Conformation of PolysaccharideOHOHOOHOHOHOHOHOOHOHOH-D-

4、Glucose-D-GlucoseStarch (helix)Cellulose (sheet)OOHOOHOHOOHOOHHOOOOHOOHOHOOHOOHOHOOHOHOOHOHOHO-D-GlucoseDextran (coil)OHOHOOOOOHOHOOHHStarch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-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

5、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 5775，玉米中含淀粉 6572，馬鈴薯中則含淀粉 1214，是我們飲食中碳水化合物的主要來源。Source of the Starch淀粉Topology of starchModified Starch 淀粉本身不具有熔點，加熱后容易發(fā)生分解和氧化反應，因此需要進行改性處理。物理變性：包括預糊化淀粉、-射線、超高頻輻射處理淀粉、機械研磨處理淀粉、濕熱處理淀粉等?；瘜W變性：用各種化學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

6、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。采用復合變性得到的變性淀粉具有兩種變性淀粉的各自優(yōu)點。Application of Starch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。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 (1-4)苷鍵連接而成。纖維素是高等植物細胞壁的主要成分，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

7、在非常強烈的氫鍵，使得其具有更高度的結(jié)構(gòu)有序性，耐化學腐蝕性和耐溶劑性。Source of the Cellulose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。Modification of the Cellulose纖維素改性可以使之具有更好的溶解性和加工性。酯化無機酯包括碳酸酯、硝酸酯、磷酸酯等；有機酯包括醋酸酯、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Application of the CelluloseApplication of the

8、 Cellulose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合成原料。Application of the CelluloseChitosan殼聚糖的化學名稱為： -(1,4)-聚-2-胺基-D-葡萄糖。殼聚糖具有較強的剛性結(jié)構(gòu)和強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，去除無機鹽和蛋白質(zhì)漂白、晾干hydrolysis蝦蟹殼Chi

9、tinChitosanChitin: x yApplication of Chitosan殼聚糖具有較強的吸附性，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。PolypeptideProtein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-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

10、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-氨基酸以酰胺鍵(CONH)結(jié)合生成的共聚物，這些酰胺鍵也被稱為肽鍵 (peptideIinkages)。Classification of the Protein功能實例描述結(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)運蛋白血紅蛋白負責肺部到細胞的氧氣運輸；細胞中廢二氧化碳的排除；存在于

11、血紅細胞中肌血蛋白負責結(jié)合并存儲從血紅蛋白中獲得的氧氣。存在于肌肉組織中Structure of the Protein多肽鏈中氨基酸特征序列稱為一級結(jié)構(gòu)（primary structure）。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)（secondary structure）。三級結(jié)構(gòu)（tertiary structure）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)（quarternary structu

12、re）。Secondary structure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： - 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。 - 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)，氫鍵存在于單個分子鏈中，而對于折疊結(jié)構(gòu)氫鍵存在于相鄰的鏈間。Tertiary Structure of the Protein纖維狀蛋白（Fibrous protein）是一種長形、呈絲狀的蛋白質(zhì)粒子，僅存在于動物體內(nèi)。球狀蛋白質(zhì)（Globular protein）一般呈球狀，結(jié)構(gòu)緊密，溶于水。膜蛋白（

13、Membrane protein）是指能夠結(jié)合到細胞的膜上的蛋白質(zhì)的總稱。而細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。Fibrous protein纖維狀蛋白質(zhì)分子的形狀為線形。按構(gòu)象分為三類:-螺旋結(jié)構(gòu)，如羊毛角蛋白、肌蛋白、血纖維蛋白、膠原蛋白；-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，如花生蛋白、酪蛋白和卵蛋白。這類蛋白質(zhì)可一應用到食品、化妝品、服裝以及環(huán)境友好材料中。Globular protein多肽鏈

14、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，因此常被應用于藥物、保健品中。EnzymeEnzymes are proteins that catalyze (i.e., increase the rates of) chemical reactions. In enzymatic reactions, the molecules at the beginning of the process are called substrates, and the enzyme converts them into different molecul

15、es, called the products.Lock and Key model Induced-fit modelHuman glyoxalaseEnzyme高效性：酶的催化效率比無機催化劑更高，使得反應速率更快；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反應一般是在較溫和的條件下進行的?；钚钥烧{(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)，因而會被高溫、強酸、強堿等破壞。多聚糖Glycodidase、糖基轉(zhuǎn)移酶、磷酸化酶、纖維素酶、CG

16、Tase多聚肽二肽酰轉(zhuǎn)移酶（組織蛋白酶 C）、木瓜蛋白酶、-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）Application of ProteinNucleic acidNucleic acid核酸（nucleic acid）是由許多核苷酸聚合而成的生物大分子化合物，為生命的最基本物質(zhì)之一存在于所有生命細胞的細胞核中，其作用是合成特殊蛋白及遺傳信息傳遞。根據(jù)化學組成不同，核酸可分為核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）和脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid,

17、DNA）。DNA是儲存、復制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，RNA在蛋白質(zhì)合成過程中起著重要作用。OPHOOHOH磷酸OHOH2CHHOHHHHOHOHOH2CHHOHHOHHOH核糖脫氧核糖NNH2NNNHNONNNHHH2NNNH2NHONNH2NHOCH3NNHOCH3OHNNHOOH腺嘌呤鳥嘌呤胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胸腺嘧啶脲嘧啶Nucleic acidOPHOOHOOH2CHHOHHOHHNNH2NONNH2NOHOH2CHHOHHOHHOHHOOPHOOHOHOPHOOOOH2CHHHOHHBaseOPHOOOOH2CHHOHHOHHBasen磷酸核糖堿核苷酸核糖核酸(RNA)Base pairOPOOHOOH2CNONNHNNHHOPOHOOOCH2NNNOOPOHOOOCH2HHOPOOHOOH2CNNNNNNNOCH3OHH腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤