绿色革命中纤维素科学的战略地位，本文主要内容关键词为：纤维素论文,战略地位论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 前言
随着全球性环境污染问题的日益加剧和能源、资源急剧耗竭对持续发展的威胁，以及公众环境意识的提高，一些发达国家和国际组织认识到进一步预防和控制污染的有效途径是加强产品及其生产过程的环境管理，以达到节省资源，减少环境污染，改善环境质量，促进经济持续、健康发展的目的。这导致了绿色革命兴起。可以预见，绿色革命的发展将对环境保护和我国经济持续发展产生重大影响。
绿色化学是绿色革命中的一个基本环节和重要部分。绿色化学的根本目的是从节约资源和防止污染的观点来重新审视和改革传统的化学，从而使我们对环境的治理，从治标（即从末端治理污染）转向治本（即开发清洁工艺技术，减少污染源头，生存环境友好产品）。
纤维素科学是绿色化学中的一个重要基础部分。纤维素科学是研究纤维素及其伴生物——半纤维素和木质素在植物体内的生物合成、结构、沉积分布及实现其物理和化学转变的科学。目前大致可归纳为几个方面：①纤维素、木质素的结构和性能；②纤维素、半纤维素及合成酶的合成及研究；③纤维素、木质素的化学改性；④纤维素、木质素的提取及加工；⑤纤维素、木质素的降解。
早在2000多年前人类就已经利用纤维素原有形态进行织布、造纸。在人类的文明史发展过程中，纤维素科学为人类社会文明的产生、发展、延续、传播、进步起到了其他学科所无法替代的作用。在近代科学技术发展的浪潮中，它为有机化学、高分子化学等相关学科的建立、发展提供了丰富素材，作出了重要贡献。在当今以及未来，它仍在人类的生产和生活活动中扮演重要的角色。这主要是因为，与合成高分子相比，纤维素具有能迅速再生（仅纤维素每年再生量就达1.0×10[10]t）、易降解和其反应活性高、易于改性的优势。纤维素科学是科技园中的一棵古老而年轻的常青树。加强纤维素科学研究及应用，必将对国民经济的增长以及人类生态环境的改善起到推动作用；同时它也为其相关科学研究提供丰富的信息。因此，从事纤维素科学研究的科技工作者应抓住机遇，担负起历史的重任，为人类文明进步、为振兴纤维素科学做出应有的贡献。
2 现代技术对纤维素科学的影响
恩格斯说：“建立各个知识领域互相间的正确联系，是自然科学发展的不可避免的现象”。近30年来科学技术突飞猛进，在各个领域都获得了重大的突破。纤维素科学由单一学科向综合学科和边缘学科发展。由于生物技术、电子计算机、纳米技术及现代测试技术的广泛应用又为纤维素科学提供强有力的手段，拓宽了其研究领域及突破点。正如恩格斯所说：“应当在各门科学的接触点上期待最大的成果。”
本文就纳米技术、催化裂化技术和生物基因技术对纤维素科学发展的作用加以简单介绍。
2.1 纳米技术
人们知道，纳米材料所表现出来的物理性质和宏观材料迥然不同，它的光学性质、力学性质、磁学性质和催化性都将发生奇异的改变。
纳米纤维素也同样具有独特的性质，如60年代制造出的微（粉）晶纤维素就有着颇为一致的粒度分布，多数颗粒尺寸处于1～5nm范围内，其中2～3nm部分高达82%～85%。这种纳米纤维有着特殊的化学性质、力学性质。它的化学反应活性比纤维状的纤维素大得多，被用于纤维素化学改性；它的水悬浮液在强大的剪切力作用下可形成稳定的胶状液，立即被作为药物赋形剂而被利用；纳米纤维素胶具有乳化和增稠作用，能耐高温和低温，且外观酷似奶油，可以代替奶油以降低奶制品的热量（这对于欲意减肥者来说是一个理想食物，因为既不受节食之苦而又可以达到控制体重的目的）。把纳米纤维素掺入面粉之中制出的面包同样具有低发热的功效。进入90年代，美国已有不少这方面的专利，其纳米纤维素在减肥食品中最大含量达55%。
2.2 催化裂化技术
纤维素裂解的研究是国际上出现石油危机后寻求可再生能源及化工原料中间体的最关心热点，各国科学家们积极开展各种提取“树木石油”的高技术研究。新型催化剂的应用，使纤维素作为能源及化工原料中间体的研究达到实用阶段。
降低裂解成本，除缩短工艺流程，减少耗能设备，实行规模化生产，使之产生规模效益外，催化剂的研究、改进和采用起着显著的作用。这是一种最有效而前途无量的方法。仿酶催化剂又是催化剂研究的重点，用于生物体内的酶催化剂的催化效率比非酶催化剂要高出10万倍以上，有的甚至高达10万亿倍。如绿色植物体内的叶绿色素将太阳能转换成化学能的转换效率是目前人类所不能及的。但生物体内的酶易受外界因素的影响而失活，稳定性差。现代化学研究已能模拟酶分子的结构并利用催化作用原理设计、合成酶型催化剂。虽然目前这种模拟酶的催化剂效率比生物体内的酶差，但因模拟酶的结构简单既易生成又较稳定，已实现工业应用。
2.3 生物基因技术
生物基因技术的进步，使人类获得了更多的关于自然和生命奥秘的知识。有了这些知识，人类可以改善其生存环境，使相关学科取得前所未有的发展。它在纤维素科学中的应用也具有诱人的前景，这包括应用生物基因技术研究纤维素及伴生物的降解和合成。
用生物方法处理植物纤维作为能源一旦在技术上取得突破，我国乃至世界的能源结构将发生重大变化。用生物方法处理半纤维素还可以获得新型食物资源。例如，大熊猫的消化系统是食肉动物型，但它却能消化吸收竹子中的半纤维素，而为食杂动物的人却不行。有研究证明，大熊猫的消化系统能产生一种降解半纤维素的酶，这种酶为大熊猫所独有。将来如果能通过基因工程合成这种酶，用它处理自然界中大量存在的半纤维素，人类就拥有了一个取之不尽、用之不竭的食物资源库。
纤维素的合成是纤维素科学中最热门的科学之一。人们早在70年代就发现了一种重要的糖核苷酸——(Lip-D-Glucose)，从它合成了纤维素；从GOP-D-Glucose合成了半纤维素。近年来，从醋酸杆菌XyLium生物合成纤维素受到各方面注意，同时研究了酶集中在末端络合物(TC[,3])，TC[,3]的生物合成细胞，细菌合成酶也能部分纯制，在体外合成纤维素已接近体内合成的速度，并发现了纤维素合成酶的激活剂。合成纤维素的明显优点是加工时不用除去木质素，可制成高强度的纸及任何形状无纺织物，合成时还能控制结晶度，高聚物的结晶度直接影响其亲水性和机械加工性能，通过控制结晶度就能控制纤维素的力学性能和物理性能，从而有可能开发新的高附加值产品。
3 纤维素科学发展对社会产生的影响
3.1 改善生态环境
纤维素科学研究的对象是绿色植物，它的发展必然带动林木业的发展，林木及绿色植物对环境的维护作用是其他任何措施所无法替代的。据报道：①树木具有对城市空气污染扩散的阻挡、吸收和转化的功能，是天然的净化器，仅CO[,2]每年被地球绿色植物光合作用吸收就达2000亿t。②树木对天然水具有净化作用，它可以拦截、吸附、滞留大量降水中的污染物，当降水穿过林木树冠和渗入地被物时，通过离子交换和过滤，使其净化。③林木具有减轻城市噪音危害的作用，能有效地防止和消减噪音的重要措施，可保护人们的听觉器官，使心血管、中枢神经不被噪音侵害。这是因为林木中通过粗糙的树干枝条，重叠叶幕组成的树冠吸收，减弱了声波的传递。④林木对人类有保健功能，许多树种和植物在生长过程中可以放出氧气和分泌挥发性植物菌类等活性物质，具重要的卫生保健作用。据研究，松树林对治疗结核病有帮助，栎树对高血压病大有益处，还有一些植物体内含抗癌物质，如弥猴桃、刺梨、山楂、龙眼、无花果等，林木及绿色植物生命活动的结果还可以使空气中阴离子含量明显增加，对多种疾病有很好的疗效。⑤城市林木还具有容纳、截留雨水，防止水土流失，减少地表径流，减少地面水蒸发及防风、固沙等多种作用，可为城市创造一个良好的生态环境。
3.2 改变饮食结构
科学家们提出食用纤维是继蛋白质、脂肪、糖类、微量元素、维生素、水之后的“第七营养素”。食用纤维是食品中非淀粉类多糖与木质素的总称，它包括：不溶性纤维素、半纤维素、木质素和可溶性的果胶、谷胶。纤维素及其衍生物作为食品添加剂，加入到食品中使食品向功能化食品发展。
什么是功能化食品？食品的功能有两个：一是补给机体营养和能量，二是满足食欲。随着社会的进步，人类健康长寿对食品功能的要求除上述两功能外，还要求满足特别人群对特定食品的需求的功能。有人称此为食品的补充功能。完全具备上述三种功能的食品称之为功能化食品。
据研究，添加纤维素的食品具有以下功能：①在消化道内吸水膨胀，促进肠道蠕动，使粪便中的各种毒素及时排出体外，减少其对肠道内壁的毒害作用；②缩短食物在胃内的排空时间，促进消化液的分泌，有利于营养物质的消化吸收；③可以延缓食靡中糖类物质和脂肪的吸收，抑制血糖和血脂的上升；④减少胆汁酸再吸收量，改变食物消化速度和消化道激素的分泌量，可预防胆结石；⑤纤维素的体积较大，吸水后的体积更大，易产生饱腹感，其口感好，是一种优良的减肥食品。
3.3 增加能源
在石油能源日趋紧张的今天，植物能源异军突起，植物能源中迷人的“植物石油”又如一枝奇葩，展示着诱人的风采，使近年来世界各国的“种树得油”的新风劲吹。能源专家预示，21世纪将是“植物石油”大展宏图之时（“植物石油”是指由植物直接生产工业用的燃料油或将植物经过加工生产的燃料油的总称）。
为了“植物石油”早日商品化，纤维素科学的专家们一方面利用生物基因工程技术选择产油量高的树种，另一方面，利用新型催化裂解技术裂解纤维素提取树木石油。
研究表明，“植物石油”作为能源的应用，具有许多优点：①树木在生长过程中吸收二氧化碳并不增加大气中温室效应，而且在燃烧时不产生二氧化硫等有毒气体，不污染环境，是一种洁净能源；②分布广泛，能因地制宜地利用土地再生，可就地取木成油；③安全性好，不用勘探、运输；④再生周期短，产量大。但就目前而言，“植物石油”还缺乏市场竞争力，除存在规模、观念和政策上的问题外，自身技术也有待于提高。
3.4 发展材料
材料是现代技术革命的基本要素和基础，任何新技术的发展都对材料提出了相应的要求。纤维素科学的发展一直以发展材料为主要方向之一，并取得了相当大的成绩。在未来发展过程中，除了大宗产品不断优化其生产技术，扩大产品功能外，以纤维素为基质的储能材料、医用材料也将获得发展。
储能材料广泛地应用于计算机、建筑、医药卫生、服装等行业，尤其是在以信息科学为代表、以可持续发展为目标的现代科学技术中的地位和作用不断提高，从而使储能材料的研究和发展日新月异，方兴未艾。
以纤维素为基质的贮能材料是纤维素科学研究的重点之一，其中纤维素／聚乙二醇体系已进入实用化阶段。
目前，以纤维素为基质的医用材料的应用，仅用于肾透析和血液透析的材料消耗（800万m[2]／年）中，97%是纤维素及衍生物，其中铜氨再生纤维占87%。今后研究重点是进一步改善产品的力学性能，提高与生物体的相容性。
4 小结
纤维素科学的研究与社会需求相适应，在未来的科学发展的大舞台上，它可在能源、材料、食品、生物医学、环境保护等各个方面，以其自身的优势扮演重要角色。
在世纪之交的历史时刻兴起的“绿色革命”对解决各国面临的资源短缺、环境污染等问题，制定规划和发展“21世纪关键技术”都有重大影响。加强纤维素科学的研究与应用，将是一个具有战略意义的课题，必将对环境和社会发展产生重大影响。