化学与人类文明论文.pdf

化学与农业和食品工业化学与农业和食品工业 李成章李成章 华中农业大学 华中农业大学 理学院理学院 应用化学应用化学 1101 摘摘 要要 化学与生活息息相关 密不可分 甚至生活的方方面面都是对化学知识的实际应用 如 粮食生产 饮食安全 环境保护 材料科学研究等都是化学在生活中的应用课题 对化学 的认识也是人类对自身认识的过程 研究化学 对促进人类社会的发展有着重要意义 化学不 仅仅是科学 它是不同领域 不同时代 不同文化的思想交汇 化学 就其本质而言 是人类 与周围的生活环境相协调的一种手段 这种手段是多样的 巫术 宗教 文学 艺术 法律都 是协调自然环境和社会环境的方式 但化学是一种理性的方式 是一种物质的方式 有着元素 原子 分子层面上讨论物质的结构表达和模型建立的理论依据 因而显示出绵延不绝的生命力 本文将讲述化学在农业 食品工业发展中的应用 关键词 关键词 化学 氮循环 化学固氮 农药 化学添加剂 食品安全 1 前言前言 世界由物质组成 化学的研究对象便是物质 因此 化学是人类认识改造和保护物质世界的重 要理论依据 从原始人类社会使用火到使用各种人工合成物质的现代社会 人类无时无刻不在 享受着化学发展所带来的成果 化学是基于原子和分子层次上研究物质的组成 结构 性质 变化规律以及实际应用的一门科学 它以实验为基础 在保证了人类生存 并不断地提高着人 类的生活质量 比如 近代化学技术 如农药 化肥等在农业上的大规模应用 极大地提高了 农产品产量 满足了日益增长的食物来源需求 在食品加工行业里 食品添加剂技术也丰富了 人们日益挑剔的物质生活 不过食品安全问题也随之而来 2 化学在农业中的应用化学在农业中的应用 化肥与农药化肥与农药 2 1 1 自然界中的氮循环自然界中的氮循环 矿质元素氮直接关乎到植物的生长状况 众所周知 氮元素是蛋白质 叶绿素 核酸 酶 生物激素等重要生命物质的不可缺少的基本组成元素之一 农作物缺氮将严重减产 氮是地球大气中极为丰富的一种元素 他在大气中的体积分数约 可是 即使氮气 2 N 在空气中的含量很高却不能为绝大多数生物体直接吸收 而必须要通过固氮作用然后才 能被利用 固氮作用有两条主要途径 非生物固氮 如闪电 生物固氮 如豆科植物的根瘤菌 以及蓝藻等微生物 可使氮气转化为 3 NH 如下示意图展示了大气中的单循环 氮气循环示意图氮气循环示意图 从大气中固定下来的氮转化为 4 NH 在硝化或亚硝化细菌的作用下转化为 3 NO 或 2 NO 而这一氧化过程统称为硝化作用 植物从土壤中吸收硝酸根离子 通过一系列作用转化为自身的所需要的氨基酸 进而合成 重要的生命载体物质 蛋白质 2 1 2 化学固氮化学固氮 由于大气中氮气难以直接被利用 为了增加农作物产量 人们便想到通过人工合成固定大 气中的氮 20 世纪初 德国化学家 Haber 以锇作催化剂 在 30 50 兆帕压力 500 600 C o 条件下直 接用氮气和氢气合成出氨 化工专家博施解决了当时生产铵的催化剂贵而少及反应对反应塔材 料严重腐蚀这两大难题 促进了合成氨的工业化 因此 后人将此法称为哈伯 博施法 其生产 流程示意图如下 不过 由于现有的合成氨工艺依然存在着对能耗和仪器设备的要求太高 化学产率不高 能 耗大 环境不太友好等问题 人工模拟生物固氮过程的研究似乎有着广阔的前景 2 2 农药农药 农药定义 农药是防治农林业中的种植业 即植物的病 虫 草害的药 还包括植物生长调节剂 防 治人畜生活环境中害虫的卫生杀虫剂 抗病虫草害的转基因生物如抗虫棉 天敌生物如作为商 品出售的瓢虫都按农药管理 根据原料来源分类 11 无机农药 波尔多液 22 植物性农药 33 微生物农药 44 有机合成农药 根据作用对象分类 11 杀虫剂 用来防治有害昆虫的化学物质 22 杀菌剂 用来防治植物病原微生物的化学物质 33 除草剂 用以防除农田杂草的化学物质 44 杀螨剂 用来防治蛛形纲中有害种类的化学物质 55 杀鼠剂 用来防治害鼠的化学物质 66 植物生长调节剂 用来促进或抑制农林作物生长发育的化学物质 农药的发展 是人类向大自然的斗争史 是人类社会发展的进步史 是人类科学技术的发 展史 其发展分为三个阶段 第一阶段 天然药物时代也成无机农药时代 三大杀虫植物 除虫菊 鱼藤 烟草 硫酸 铜可除十字花科杂草且不伤害禾谷类作物 第二阶段 20 世纪 40 70 年代的合成有机化学农药时代 杀虫剂 DDT 六氯环已烷 6 第三阶段 20 世纪 70 年代中后期 90 年代中后期昆虫生长发育调节剂和生物农药阶段 但是目前 人们广为使用的农药依然是 有机化学农药 它有如下几方面的优点 1 使用方便 对劳动力要求较小 这一点成为了农药为人们广泛使用的先决条件之一 2 用药量小 通常每公顷的用药量也就在几十克左右 3 高效 它能有效杀灭作物病害 为作物提供良好的生长环境 上世纪以来 随着有机农药的广泛应用 粮食产量不断创下新高 养活了数量急剧增长的 人口 极大地丰富了人们的食物来源 解放了大量劳动力 创造了极高的经济利益 但是随着 有机农药的大规模使用 抗药性 再猖狂以及残留毒害问题也越来越突出 3 化学与饮食化学与饮食 3 1 食品中的化学添加剂食品中的化学添加剂 随着人类对食品的要求日益挑剔 有人发现 许许多多的合成和生产的化学品能够添加在食 品中以提高食品的营养 增强食品的口感 保证食品的色 香 味 延长食品的储存时间等作 用 这些化学品包括使用香精香料 营养强化剂 保鲜剂 防腐剂 食用色素等 被称为食品 添加剂 食品及其原料在生产 运输 销售 储存过程中 由于本身具有丰富的营养物质 能够为微 生物的繁殖提供适宜的环境 因而许多微生物在食品中生长繁殖 最终将导致食品腐败 为了 延长食品的保存时间 使其能够有足够长的时间走完商品化的循环过程 实现经济利益 人们 便使用了防腐剂 常用的化学防腐剂包括 1 有机酸 如 苯甲酸 山梨酸和丙酸及其盐 2 有机酸酯 如 尼泊金酯类 没食子酸酯 L 抗坏血酸 维生素 C 酯等 3 无机盐 如 含亚硫酸盐 焦亚硫酸盐等 食品添加剂 不仅能让人得到食品中的色 香 味等感官上愉快的享受 而且还可以促进食 物的消化接收 甚至补充食品中所缺乏的营养物质 如加碘盐 食品中的天然色素是指在新鲜 原料中含有 或者是本来无色而经过加工后发生反应后而呈现颜色的物质 合成色素本身无营养价值甚至有些物质对人体健康有影响 或者在人体代谢过程中产生有害 物质 因此在世界各国对合成色素的使用种类以及使用量均有明确规定 我国允许使用的人工 合成色素有四种 苋菜红 胭脂红 柠檬黄和靛蓝 下面是几种添加剂的结构式 糖精结构式糖精结构式 阿斯巴甜的结构式阿斯巴甜的结构式 辣椒素的结构式辣椒素的结构式 3 2 化学与食品安全化学与食品安全 民以食为天 食品安全小则关系到人类健康大则关乎国家种族兴衰 完食品安全包括两个方 面 一是食品的供应 二是食品卫生与营养 农药的发明和广泛使用对世界粮食产量的提高发挥了重要作用 但由于农药的不合理 特别 是过量使用 食品中的残留农药已经对人类健康甚至生命 生存构成了威胁 此外 不合理的 添加食品添加剂也严重的增加了食品安全问题 食品中有毒有害物质的鉴定检测以及形成机理 的研究已经取得长足的进步 除了传统的化学分析法外 借鉴于化学中的各种现代仪器分析了 高效液相色普法 气相色谱 质谱联用法 液相色谱 质谱法 质谱法等多种先进分析方法 可 以为食品安全检测提供强大的技术手段 我国是一个农业大国 但并非强国 由于监管措施落后 农民的教育素质普遍偏低等问题 农药残留引起的危害越来越突出 对此 可从三个方面解决这个问题 1 发明更简洁更灵敏易普及的检测方法和技术 2 制定相关标准 并督促政府立法以及加强国民教育 3 研发高效无毒无公害的农药 从根本上杜绝农药残留 保障食品安全 食品安全事件已经屡见不鲜 2007 年 12 月日本千叶和兵库两县 毒饺子 事件中饺子里检 测出高浓度的甲胺磷 2008 年我国三鹿奶粉事件中 奶粉里检测出大量三聚氰胺 2005 年的苏 丹红事件 三个事件涉及到的化学物质结构如下 甲胺磷 敌敌畏 结构式甲胺磷 敌敌畏 结构式 苏丹红苏丹红 I 三聚氰胺的结构式三聚氰胺的结构式 4 结束语结束语 化学为人类社会 人类文明的进步与发展做出了不可磨灭的贡献 尤其是近代以来 各种化 学技术的飞速发展 为人类生产生活提供了大量所需的物质材料 为某些问题的解决提供了强 大的理论以及技术手段 极大促进了人类社会的进步 然而 任何事物都有其两面性 诸如环境污染 食品安全等问题皆因现代社会的飞速发展而 生 如何高效 低公害地应用化学技术 成了摆在我们面前的一大难题 作为 21 世纪高素质的 公民 学习了化学与人类文明这门课后 我们有义务 也有责任将这一问题克服 参考文献 参考文献 1 唐除痴等 农药化学 天津 南开大学出版社 1998 2 王丹 赵美萍 大学化学 2009 24 1 9 13 3 周爽 赵美萍 大学化学 2009 24 1 45 49 4 徐任生 叶阳 赵维生 天然产物化学 第 2 版 北京 科学出版社 2004 5 Mottram D S Wedzicha