生物质(什么是生物质材料？它们有什么特点和应用？)

1.生物质材料的定义

生物质材料是指由动物、植物及微生物等生命体衍生得到的材料，主要由有机高分子物质组成，在化学成分上生物质主要由碳、氢、氧三种元素组成。由于是动物、植物及微生物等生命体衍生得到，未经化学修饰的生物质材料容易被自然界微生物降解为水、二氧化碳和其他小分子，其产物能再次进入自然循环，因此生物质材料具备可再生和可生物降解的重要特征。

常见的生物质材料有木材、秸秆、竹材、淀粉、树皮、纤维素、木质素、半纤维素、蛋白质、甲壳素等。

目前许多文献和教科书存在多个与生物质材料相关或相近的概念，主要有生物体材料、生物材料、天然高分子材料、生态材料、生物基材料等，它们的含属关系如下图所示。

2.生物质材料的分类

（1）按来源分类

• 植物基生物质材料，是指由植物衍生得到的生物质材料（如纤维素、木质素、淀粉、植物蛋白、果胶、木聚糖等）或直接利用具有细胞结构的植物本体作为材料（如木材、 秸秆、藤类、树皮等）。
• 动物基生物质材料，是指由动物衍生得到的生物质材料（如甲壳素、壳聚糖、动物蛋白、透明质酸、紫虫胶、核酸、磷脂等）或直接利用具有细胞结构的动物的部分组织作为材料（皮、毛等）。
• 微生物基生物质材料，是指通过微生物的生命活动合成的一类可生物降解的聚合物，如出芽霉聚糖、凝胶多糖、黄原胶、聚羟基烷酸酯、聚氨基酸等。

（2）按组分分类

• 均质生物质材料，所谓的均质指每个生物质材料分子都具有相同或相似的化学结构组分，例如纤维素、木质素、半纤维素、淀粉、蛋白质、木聚糖、甲壳素、壳聚糖、核酸黄原胶、聚羟基烷酸酯等，它们的特征是结构已知或者用化学结构式可以表达。对于均质生物质材料有可分为均聚型生物质材料（如纤维素、聚木糖等）和共聚型生物质材料（如海藻酸钠、半纤维素等）。
• 复合生物质材料，指材料中同时含有两种以上的结构单元而组成不同的分子，是混合物或复合体，如木材、秸秆、树皮、毛等。

（3）按所含化学结构单元分类

• 多糖类生物质材料，指分子的结构单元有吡喃糖基或/和呋喃糖组成的有机高分子物质，如纤维素、半纤维素、淀粉、木聚糖、魔芋葡甘聚糖、甲壳素、壳聚糖、黄原胶等。
• 蛋白质类生物质材料，指分子的结构单元含有肽键（由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基反应形成的酰胺键）的有机高分子物质，如大豆蛋白、丝蛋白、胶原、角蛋白、酪蛋白、藤壶胶、明胶、透明质酸等。
• 核酸类生物质材料，是由核苷酸聚合而成的大分子，它是构成生命现象非常重要的一种高分子，主要指核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。
• 脂质类生物质材料，指分子的结构单元含有有机酯键的有机高分子物质，它包含由动物体内衍生出的脂质（如磷脂、神经磷脂、糖脂、紫胶等）和通过微生物的生命活动合成出的聚酯（聚3-羟基丁酸、聚3-羟基戊酸等）。
• 多酚类生物质材料，指分子的结构单元含有丰富的酚基或者酚的衍生物，如木质素、大漆（中华漆）、单宁等。
• 聚氨基酸类生物质材料，指分子的结构单元含有一种氨基酸形成的酰胺键的有机高分子物质，如聚γ-谷氨酸、聚ε-赖氨酸。
• 综合类生物质材料，指材料或分子中同时含有两种以上不同类别的化学结构单元，如皮革中的硫酸肤质蛋白是由硫酸肤质与非胶原蛋白通过共价键结合而得，阿拉伯树胶是由多糖和阿拉伯胶糖蛋白组成，木材和秸秆是由多糖类（纤维素、半纤维素）和多酚类（木质素）生物质材料复合而成。

3.生物质材料的一般特性特征

• 生物质材料都含有碳、氢、氧三种元素，部分生物质材料还可能含有氮、硫、钠等元素。
• 生物质材料的种类多、分布广、储量丰富。
• 生物质材料与合成高分子材料相比，都具有较好的生物降解性，绝大部分生物质材料在自然环境中很快被微生物完全降解为水、二氧化碳和其他小分子。
• 生物质材料能够再生。
• 生物质材料能够进行与功能基相关的聚合物化学反应。
• 水分对生物质材料的性能影响明显。
• 生物质材料通常是多组分伴生。
• 生物质材料的结构和性能变异大。
• 生物质材料提取、加工和利用相对困难。

4.生物质材料的应用

生物质材料已得到广泛的应用。像合成高分子材料一样，生物质材料可以制成塑料、纤维、涂料、粘结剂、功能材料和复合材料等，应用在生产生活的各个领域中。生物质材料的利用方法主要有如下四个方面：

• 直接利用。通过物理或机械加工，直接将生物质材料制成各种产品，如将棉花纺线，再制成布匹、纱布等；将木材制成各种实木家具、饰品等。
• 改性利用。基于生物质材料所含的功能基，通过聚合物化学反应，制备出化学结构和性能与反应前不同的材料，这是生物质材料应用的主要方法。主要的聚合物化学反应有衍生化、接枝、交联等。

• 复合或共混。将一种生物质材料与另一种生物质材料或者合成高分子材料通过复合或共混的方法，制备具有更好品质的新材料，如将淀粉添加到聚乙烯中，制成淀粉共混型聚乙烯农用薄膜，使之具有一定的生物降解性；将木质素在偶联剂存在下与聚乙烯复合，制得的木质素-聚乙烯复合材料不仅成本降低，还能提高力学强度和热稳定性。
• 转化利用。在热、催化剂存在下，将生物质材料转化成分子量较小的化工原料，如将木材、木质素、单宁、淀粉、树皮等在苯酚或聚乙二醇存在下液化，转变为活性基团更多、分子量小的产物。这些产物可被用作制备塑料、泡沫、胶黏剂等高分子材料。此外，通过裂解或发酵，将生物质转化为燃油、燃气、乙醇等能源材料也是生物质材料的一种转化利用方法。

5.发展生物质材料的意义

生物质材料资源丰富，来源广泛，并且可以可再生和生物降解，在将来不仅可以替代合成高分子材料，还可以保护环境，节约其他资源，支撑人类的可持续发展。因此发展生物质材料有两个重要意义，一是保护人类赖以生存的自然环境，二是替代以石油、煤炭等化石资源为原料的合成高分子材料。

如果您觉得我的文章对您有所帮助或启发，欢迎点赞、评论、转发、收藏、关注，谢谢！