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生物质资源化学
第一章 生物质资源化学概论
第一节 生物质资源化学的发展
1.生物质资源的定义 自然资源：一定时间、空间条件下自然界中一切能够为人类所利用并产生的经济价值的、能够提高人类当前和未来福利的自然诸要素总和。
生物资源：生物圈中对人类有一定经济价值的动物、植物、微生物及其组成的生物群落
生物质：地球上一切生物（动物、植物、微生物）产生的生物量 生物质资源：广义上? 狭义上
2.生物质资源化学的研究内容和重要性
生物质资源化学区别于生物学，生物学是研究结构功能以及对其进行改进； 生物质资源化学：以生物质为原料进一步加工加以利用。 研究的三大内容：
（1）能源与燃料（最广泛）
常规能源：传统石化能源，非传统石化能源如页岩气
新能源：太阳能、风能、地热能、核能、生物质能（航空油） （2）化工产品
生物质资源几乎可代替石油生产所有化工原料（目前成本等问题尚未解决） （3）材料 （丝绸） 重要性
生物质资源引起重视和广泛研究源于2个原因：
①石油资源的枯竭（/过度开采煤炭资源造成地陷或者其他环境问题）；全球三大问题——资源枯竭、人口膨胀、环境污染，根本问题在于资源枯竭 ②生物可降解性（石油加工的许多产品难降解） （③结构独特，如甲壳素）
目前全世界都在积极进行生物质资源的研究（生物质资源是石化资源的20倍，量大且可再生可降解） 3.生物质资源分类 按照分子大小分类：
天然高分子：分子量>2000，基团确定，分子结构难以确定，一般为混合物 天然小分子：分子量<2000，基团确定且分子结构确定 结构不同研究方式方法不同
按照结构（基团）分类：醇、胺、羧酸、酯、酚、芳香族、脂肪族 按照应用角度分为：蛋白质、多糖、药物、油脂 4.生物质资源特点
①天然可再生（本质上是对太阳能的利用） ②生物亲和性、生物分解性 ③独特的化学结构和功能
对其合理利用可达到2点效果：资源不枯竭、减少环境污染
5.生物质资源发展
（1）最初淀粉造酒，竹子制纸
（2）变性淀粉，如纤维素化工（起源？） （3）化学生物物理阶段
第二节 生物质资源化学的研究方法
1.基本途径和原理
原理：顺应其结构（符合绿色化学、原子经济学） 基本途径：
化学处理，化学反应改造（无机有机，醚化、酯化、络合物、螯合物、共聚、缩合、接枝）
物理处理，如超声波（断链，大分子改造为小分子），光照，共混，蒸汽爆破 生物与酶处理，如发酵，植物组织培养，基因工程；甲醇汽油、乙醇汽油 2.结构和性能研究的方法 ①纯度分析 方法：
液相色谱：除了永久性气体物质都可适用 气相色谱：针对挥发性（热稳定）气体
电泳：适用于（带电荷高分子）蛋白质、核糖核酸、糖类 ②结构分析
高分子：具有化学结构（元素组成）、二级结构（分子量和分子量分布，有条件还可测量链结构，色谱（利用分子大小不同分离）、x-衍射、红外）、聚集态结构（链与链之间的结构，热分析、电镜）；核磁？ 低分子：（只有）化学结构（需要检测）；四大分析方法：红外光谱（IR）、核磁共振（HMR）、紫外可见（UV-VIS）、质谱（MS） ③性能测试，如力学、光学、生物降解性能、电学
第三节 几种重要的生物质资源
纤维素 甲壳素 淀粉 胶原蛋白 大豆蛋白 各种多糖 天然药物 油脂 天然树脂
第二章 提取分离技术
第一节 提取
1.萃取：利用物质在不同溶剂中的溶解性能不同 全分析的萃取顺序：有机溶剂（小分子如生物碱）→极性溶剂（极性基团如黄酮）→水（高分子如多糖、蛋白质）→酸或碱（带酸或碱基团的高分子）
方法：浸渍（适用于对温度敏感的组分，影响因素：温度、时间、用量、粉碎程度）、煎煮、回流提取
2.蒸馏：利用物质的沸点不同，常用于香料（如玫瑰精油）、一些生物碱 直接蒸馏：完全利用沸点，物质按照沸点高低顺序分离
水蒸气蒸馏：分离相与水不互溶，利用温度达到水沸点时的分压的差异，凭借水蒸气将分离相带出
3.压榨：常用于食用油（如茶油、菜籽油）以及工业上的桐油?
以上3种为温和的物理方法 4.化学处理（反应）：如纤维素用碱高温蒸煮
5.蒸汽爆破：如爆米花，米（含水）处于高温高压状态下骤然降压产生蒸汽 6.生物与酶：如纤维素、甲壳素
第二节 分离纯化
1.升华：产品纯度高但使用对象有限，如咖啡因的提取
2.重结晶：对象溶于溶剂利用不同温度下溶解度差异结晶分离。此法应注意母液的浓度不宜过高；成本低应用广泛。
3.精馏：精馏塔多次反复蒸馏，此法可使乙醇纯度达到95% 4.电泳
5.色谱分离：分离有机物最有效的方法 6.膜分离：反渗透（去除离子）；根据膜截留的分子量大小：纳滤（<10000?），超滤（10000~几十万），微滤（微米级）
第三章 高分子的分子量
第一节 平均分子量的定义
Wi?ni?Mi
nMWi数均分子量：Mn??ini?? 对低分子量个数敏感
?i?WiMi?1重均分子量：Mw?WM??Wiii?nM??nMii2ii 对大分子含量敏感
Z均分子量：MzZM???ZiiiWM???WMii2iinM???nMii3i2i 对特大分子量敏感
??WiMi???niMi???? 粘均分子量：Mv?????W???nM?iii????通常情况下，Mz>Mw≥Mv>Mn；当各时项都相等说明被检测的物质是均一的
???1??1??1第二节 数均分子量的测定
端基法（化学法）：前提是已确定端基的结构，且分子量在2000-10000之间（分子量>10000时不准确） M=W/n
渗透压法
小分子：π=RTc/M
高分子：非理想溶液，分子量测定范围是2000~106（仪器操作简单）
??1??RT??A2c?A3c2?...?，Ai表示第i微粒系数 c?M?一般稀溶液忽略A3（很小）原式简化为
??1??RT??A2c? c?M?改变溶液浓度c，测定对应的渗透压π，作图π/c ~ c
当拟合效果为直线时，假设A3→0成立即截距为RT/M、斜率为RTA2 当拟合效果不好（不是直线）假设A3→0不成立，此时则另作假设：
?RT1?????1?P2c?P3c2?，令P3?P22，则??cM4?c?1/2?RT??1?????1?P2c? ?M??2?1/2此法应注意：膜的选择（根据溶剂以免将膜溶解；根据孔径大小，会影响到渗透达到平衡的时间）；溶液的浓度（太高耗时，太低读数容易导致误差）；样品分级
第三节 粘均分子量的测定
粘度的定义：液体流动时分子间的内摩擦力 相对粘度：?r??t?，溶液粘度/溶剂粘度 ?0t0?-?0t-t0 ??0t0?r-1c?????k????sp（Schulz-Blaschke）
增比粘度：?sp?比浓粘度：?sp/c?比浓对数粘度：?inh?特性粘数：
ln?r c??sp??ln?r?????????? 当c→0时，[η]与c无关，[η]是高分子的特征值，与溶?c???c?0?c?c?0剂、结构、分子量有关，在规定的溶剂中决定于单个高分子的结构和分子量 马克霍温克（Mark-Houwink）方程：????kM?v
乌式粘度计：b管中间是毛细管
?a中盛溶液，c用夹子封住，b管用洗耳球吸
?松开c，用秒表记录溶液流过b管上两刻度之间的距离的时间
?/??A?t-B?t，A、B是毛细管仪器的常数；选择毛细管的半径使溶剂流出时间>100s
配两个溶液（ρ1、ρ2），分别计时2次（t1、t2）即可计算出A、B 当ρ=ρ0时?/??A?t
Huggins公式：?sp/c?????k'???c
2Keramer公式：
ln?r2????-????c c