人工叶绿素
光合作用运作原理及光合有关技术新进展
光合作用运作原理及光合有关技术新进展光合作用是地球上最重要的生化反应之一，它使植物能够通过光能将二氧化碳与水转化为有机物质，为生态系统的能量来源。
光合作用是绿色植物及一些蓝藻、藻类等光合细菌进行的一种能量转换过程。
它们以叶绿素分子为中心，在叶绿体内进行光合作用，将光能转化为化学能。
光合作用基本原理为光能的转换。
葡萄糖是光合产物的一种，其化学式简化为C6H12O6，在光合作用过程中，二氧化碳和水经过一系列复杂的化学反应，最终转化为葡萄糖。
简化的化学方程式为：6CO2 + 6H2O + 光能→ C6H12O6 + 6O2。
光合作用过程中，光合细菌和叶绿植物的叶绿素分子起着至关重要的作用。
光合细菌和藻类的叶绿素分子可分为A、B、C和D等多种类型。
其中叶绿素a是光合作用中主要的色素，可以吸收到红光和蓝光，在光合器官中承担了光合作用的核心任务。
叶绿素b则可以吸收到蓝光和橙黄光，起到辅助叶绿素a的作用。
过去几十年来，光合作用及光合有关技术一直是科研领域的热点。
科学家们通过研究光合作用的运作原理，尝试开发出以光合作用为基础的新技术，从而为解决能源危机、食品安全问题等提供新途径。
最新的研究进展中，有几个光合有关技术表现出巨大的潜力。
第一个技术是人工光合作用模拟。
科学家们尝试利用合成材料模拟自然界中的光合作用，以实现光能的高效利用。
研究人员已经设计出了一种由人工叶绿素分子组成的薄膜，具有吸收太阳光能和产生电能的能力。
这种人工光合作用模拟技术有望在光伏发电、太阳能电池等领域发挥重要作用。
第二个技术是光合作用调控。
科学家对光合作用过程的调控研究也取得了重要突破。
例如，调节光合作用的速率可以通过改变植物叶片的表面微纳结构来实现。
人们利用纳米技术制造出具有特殊纳米结构的材料，这些结构可以在光合作用过程中控制光的入射角度，提高光吸收效率，从而增强了光合作用的效率。
第三个技术是光合作用与生物能源产生的结合。
近年来，将光合作用与生物能源产生相结合的技术受到了广泛关注。
叶绿素衍生物的合成及其应用研究进展
1 引言叶绿素（Chlorophyll）是植物体内光合作用赖以进行的物质基础，广泛存在于高等植物的叶绿体中，是叶绿体中最为重要的一类光合色素。
早在1818年，Pellatier首先从植物中萃取得到一种绿色色素并命名为叶绿素。
1838年Berzelius报道了有关叶绿素的萃取方法。
到1864年Stoke又发现叶绿素并非单体，而是绿色色素的混合物。
但直到1906年，色谱法的发明者Tsvet才成功地从高等植物的叶绿体中分离出的叶绿素A和B。
随后在1993年Willstatter成功地阐明了叶绿素的结构，他因此获得1915年度的诺贝尔化学奖。
到了60年代，人们成功地人工合成叶绿素。
1.1叶绿素物化性质叶绿素是一类含镁卟啉衍生物的泛称，其中以叶绿素A和叶绿素B最为常见。
叶绿素的分子中都含有一个卟啉环，Mg2+取代了环内二氢并与4个N原子配位形成相应的金属配体。
除高等绿色植物叶绿体中含有比例3：1的叶绿素A和叶绿素B外，在多种藻类植物中还发现有叶绿素C类物质，包括叶绿素C1和C2两种成分。
此外，在红藻中则发现叶绿素D的存在。
叶绿素A和叶绿素B是蓝绿色的蜡状晶体，呈深绿及墨绿色油状或糊状物，略带异臭，不溶于水，易溶于乙醇、乙醚、丙酮等有机溶剂。
故常利用乳化剂制成具水分散性制剂。
相对分子质量分别为893和907，其中叶绿素A的熔点为150～153℃，叶绿素B的熔点为183～185℃。
天然叶绿素不稳定，对光和热敏感，易分解褪色。
在酸性条件下，叶绿素的卟啉环中心金属镁原子会被氢原子置换，生成暗绿色至绿褐色脱镁叶绿素。
从化学性质上讲，叶绿素是一种双羧酸酯，叶绿酸的两个羟基分别被甲醇(CH3OH)和叶绿醇(C20H38OH)酯化。
叶绿素a和叶绿素b的结构如图1,2。
叶绿素a和b的分子中的镁离子易被铜、铁、钻等离子取代而成为叶绿素衍生物(chlorophyllin)。
现在市售是将铜置换中心金属镁后成叶绿素铜，再将其制成水溶性叶绿素铜钠，或用铁置成叶绿素铁，再制成水溶性叶绿素铁钠等钠盐。
人工光合作用技术的研究进展
人工光合作用技术的研究进展光合作用是地球上生物系統中最为重要的物质转化过程之一，它利用太阳光产生化学能，将二氧化碳和水转化成有机物和氧气。
近年来，随着人工光合作用技术的不断发展，我们的认知也更深入，同时为解决全球能源危机和环境污染问题提供了新的思路。
一、人工光合作用技术的概念及分类人工光合作用技术是指借助人工材料，模拟植物光合作用过程来制备有机物或产生能量的一类技术。
根据研究方向不同，它可分为光电转换、氢能制备、固碳还原、有机化学合成等几类。
光电转换主要是研究通过将太阳光能转化为电能，进而为人类生产生活提供电力的技术，具有广泛的应用前景。
如有机太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。
氢能制备是指通过模拟光合作用的方式，利用太阳光将水分解产生氢气，实现氢能的制备。
目前，利用太阳光制备氢气的一种常见方法是采用人工类叶绿素，将其光电子注入氢产生物质中，然后再通过水解得到氢。
固碳还原是指通过模拟光合作用的方式，将二氧化碳还原成为有机物的一种技术。
近年来，科学家已经研究出了一系列人工类叶绿素，并且能够通过人工类叶绿素模拟自然界中的光合作用过程，将二氧化碳还原为有机物。
有机化学合成是指通过模拟植物合成有机物的过程，采用地球上尚未存在的人工光合成路线生产有机物。
这一领域目前仍处于实验室阶段，但有望在未来成为制备甲醇、乙烯、二甲酸等化学品的一种新颖且可持续的选择。
二、人工光合作用技术的研究现状1.光电转换有机太阳能电池以其简单、低成本等特点成为太阳能电池的先锋，研究人员也在探索各种工艺，提高太阳能电池的效率与稳定性。
例如，有关机构在材料、工艺与结构改进等方面持续创新，一些关键技术得到了重大的突破，如有机钙钛矿太阳电池、过渡金属过渡金属卤化物太阳电池等都具有较好的光电性能。
2.氢能制备氢气技术是未来能源技术的一项焦点领域。
人工光合成技术是制备氢气的重要途径。
科学家在人工材料上注入光电子发现，人工材料也能够模拟植物类叶绿素的光电子转移过程，实现了可持续制备氢气的可能。
植物生理学有关的诺贝尔奖
Arthur Harden
Hansvon Euler-Chelpin
3.克雷布斯(Hans Adolf Krebs)
李普曼(Fritz Albert Lipmann)
Krebs：是英国生物化学家，他发现了生物体内 营养物质糖类、脂肪、蛋白质等分解代谢的最终途 径——三羧酸循环以及排尿素动物合成尿素的鸟氨酸 循环。 Lipmann：是美籍德国人，生物化学家，他证明 泛酸是一种新的辅酶，命名为辅酶A，并发现辅酶A 在调节新陈代谢中，可以打通糖酵解和脂肪酸氧化的 最终产物，进入三羧酸循环的通道。他与克雷布斯共 获1953年诺贝尔生理学或医学奖。
2. 彼得· 阿格雷(Peter Agre)和罗德里克· 麦金 农(Roderick MacKinnon)。
Peter Agre：美国生物化学家，1988 年，他在鉴定人类Rh 血型抗原时，在细胞膜上发现了一种分子量为28 kDa 的蛋白， 称为CHIP28。1991 年，他测定了CHIP28 的cDNA 序列，并将 CHIP28 的mRNA 注入非洲爪蟾的卵母细胞；在低渗溶液中，这 种卵母细胞即迅速膨胀破裂，从而揭示了细胞膜上水通道蛋白 (亦称水孔蛋白)的存在。这一发现掀起了分离和鉴定水通道 蛋白的高潮。此后的短短几年内，人们从植物中也分离出了4 种 类型的水孔蛋白，从而认识到水分进出细胞的主要途径是水通 道蛋白。阿格雷因此获得2003年诺贝尔化学奖。 在这一奖项中的另一位美国科学家是Roderick MacKinnon （麦金农）。主要贡献是绘制出世界上第1张离子通道(K+通道蛋 白)的三维结构图，并阐明了离子通道的结构和工作原理。离子 通道是矿质离子快速进出细胞的专一性通道，在调节包括植物 细胞在内的细胞生命活动过程中非常重要。
Johann Deisenhofer
人工光合作用的实现与应用
人工光合作用的实现与应用随着科技的发展，人工光合作用成为一个备受关注的研究领域。
人工光合作用是指利用人造光能够为碳源提供电子，从而将光能转化为化学能的过程。
该方法在能源、环境保护和生物医药等领域都拥有广泛的应用前景。
一、实现人工光合作用的步骤实现人工光合作用主要通过以下几个步骤：1. 合成光谱分子。
在人工光合作用中，光谱分子随着光的激发而改变它们的结构以供电子传输。
合成光谱分子需要通过有机合成的方法，在化学结构上对其进行设计、合成和表征。
2. 制备叶绿素模型分子。
叶绿素是天然光合作用中最重要的分子之一，因此，制备具有相似结构和功能的叶绿素模型分子是实现人工光合作用的关键步骤。
这些模型分子通过模拟天然的能量转移和电子转移过程，使人造光谱分子激发电子从而形成电子传输链。
3. 搭建界面。
界面可以将不同的分子组合在一起，创造出人工光合作用的环境。
界面可通过化学修饰或生化操作来建立，主要通过共价键或氢键在表面上绑定叶绿素分子和光谱分子。
二、人工光合作用的应用1. 能源转化。
人工光合作用可以利用太阳光的能量将其转化为化学能，可以用于生产燃料。
燃料可以替代石油、天然气等不可再生的化石燃料，找到一种新型的清洁能源。
2. 环境保护。
人工光合作用可以将二氧化碳变成有机物，在大气中减少二氧化碳的含量，并防止温室效应的产生。
3. 生物医药。
人工光合作用可以用于生产某些药物，例如利用光合系统的传递功能合成人造光合酶，用于治疗蛋白质缺陷引起的某些疾病。
三、人工光合作用的前景人工光合作用的研究仍处于探索阶段，但它在能源转化、环境保护、生物医药等领域的广泛应用前景是不可忽视的。
人工光合作用的实践还需要进一步的探索和研究。
科学家们共同努力，相信在未来的几年内，人工光合作用将会在能源领域和环保领域中得到更加广泛的应用。
叶绿素——光合作用色素
叶绿素摘要图叶绿素结构通式摘要叶绿素是具有一定的生理功能、安全、无毒的脂溶性天然色素，是深绿色光合色素的总称，只有在光照条件下才能形成，能够吸收光能并将其转化为化学能。
广泛存在于绿色植物、藻类和各种光合细菌等光合生物体内，是植物光合作用和指示养分含量的主要色素之一，不可或缺。
叶绿素分为放氧光合生物中的叶绿素(Chls)和不放氧光合生物中的细菌叶绿素(bacteriochlorophylls, BChls)两大类。
叶绿素易溶于极性有机溶剂，如乙醇、乙醚、丙酮等，不易溶于水。
化学性质不稳定，对光、温度和PH的变化非常敏感，但在活体生物中，叶绿素不但不会发生降解，还可以得到很好的保护并且进行光合作用。
植物的叶片呈绿色，是因为叶绿体中的叶绿素吸收了阳光中大部分红光和蓝紫光，反射了大部分绿光的结果。
基本信息中文名叶绿素英文名Chlorophyl定义一种深绿色天然光合色素的总称主要作用光合作用分类Chls、BChls溶解性易溶于极性有机溶剂，不易溶于水理化性质不稳定，易降解CAS号1406-65-1外观绿至暗绿色的块、片或粉末，或黏稠状物质气味略带异臭目录框架发现历史生物合成分类和分布提取与分离化学结构含量测定理化性质光合作用稳定性影响因子应用发现历史1817年，法国化学家P.J.Pelletier和J.B Caventou，首次分离了并且命名了“叶绿素”，但没有确定这是什么物质。
1906年—1913年间，德国化学家R.Willstätter证实了“叶绿素”分子中含有镁原子，并证明“叶绿素”并不是纯净的化合物，而是一种混合物。
也因此荣获了1915年的诺贝尔化学奖。
1930年，德国科学家H. Fischer因破解了“叶绿素a”的化学结构，发现“叶绿素”分子结构与血红素分子结构上很相似，其核心都是卟啉环而获得了诺贝尔化学奖。
1948年，S.Granick首先提出叶绿素合成途径1960年, 美国化学家R.B.Wood ward采用人工方法成功合成了叶绿素a, 他因为在叶绿素等复杂有机化合物合成方面的杰出贡献而获得1965年诺贝尔化学奖。
人工合成色素对人体的危害及天然色素的应用前景
人工合成色素对人体的危害及天然色素的应用前景作者：汪文秀来源：《食品安全导刊》2019年第09期摘要：食用色素按照来源可分为人工合成色素与天然色素。
其中，人工合成色素作为科技发展的产物，具有价格低廉、稳定性好、不易褪色等优点。
由于人工合成色素本身为化学合成物及其代谢产物，对人体健康存在不良影响。
因此，本文就人工合成色素存在的安全性问题做出相应的研究与评价，并就天然色素的使用前景与存在的技术问题做出分析。
关键词：人工合成色素天然色素安全性颜色是食品主要的感官质量指标之一，不同颜色的食品会引起人们对其味道的不同联想。
因此，食品在制作过程中经常会使用一种食品添加剂——食用色素，其又分为人工合成色素与天然色素。
同天然色素相比，尽管人工合成色素具有诸多优点，但是几乎所有的人工合成色素都不能为人体提供营养物质，违规使用甚至会危害人体健康[1]。
因此，探讨如何安全合理地使用人工合成色素对保证百姓的日常食品安全具有重要意义。
1 人工合成色素的使用现状在许多合成色素被证明对人体有害后，其使用规范已逐渐受到限制。
1958年，全球允许使用的合成色素超过90种，时至今日，被允许使用的人工合成色素种类大幅减少——日本10种、英国6种、我国7种……就日本而言，其食品行业的天然色素年用量已经超过1.8万吨，为合成色素用量的10倍以上。
目前，发达国家使用的食品着色剂大多以天然色素为主，合成色素为辅。
在我国，天然色素的研发起步较晚。
据调查显示，我国天然色素使用量不足20%，其余均为人工合成色素。
当前，我国允许使用的人工合成色素主要分为四类：第一类为有机合成色素，包括新红、赤藓红、诱惑红、苋菜红、胭脂红、柠檬黄、亮蓝、日落黄和靛蓝及其铝色淀;第二类为无机合成色素，主要为合成氧化铁和二氧化钛;第三类为天然等同合成色素，主要有番茄红素和β-胡萝卜素;第四类为其他合成色素，主要是叶绿素铜钠（钾）盐[2]。
2 食用合成色素的危害与安全性评价近年来，经国内外研究发现，人工合成色素的毒性表现可分为一般毒性、遗传毒性、致癌性及联合毒性。
色素的分类
色素的分类引言色素是一种能吸收特定波长的光并反射、散射或透射出其他波长的物质，它们赋予物体颜色。
色素广泛存在于自然界中，可以分为天然色素和合成色素两大类。
本文将对色素的分类进行深入探讨。
天然色素的分类天然色素是从植物、动物和微生物中提取得到的，常见的天然色素有三类：类胡萝卜素、叶绿素和花色素。
1. 类胡萝卜素类胡萝卜素是一类在光照条件下能产生颜色的有机化合物，它们存在于许多植物中。
根据色素的结构和化学性质，类胡萝卜素可以分为两大类：类胡萝卜素和黄酮类胡萝卜素。
其中，类胡萝卜素又可以细分为β-胡萝卜素、α-胡萝卜素和γ-胡萝卜素等。
类胡萝卜素在食品工业中广泛应用，用作色素添加剂和营养补充剂。
它们具有良好的抗氧化性能，有助于维持身体健康。
常见的类胡萝卜素食品有胡萝卜、南瓜、西红柿等。
2. 叶绿素叶绿素是一种广泛存在于植物和一些浮游生物中的天然色素，它是植物进行光合作用所必需的。
叶绿素具有吸收红光和蓝光的能力，反射绿光，因而赋予植物翠绿的颜色。
叶绿素在食品和医药工业中也有重要的应用价值。
它们可以作为食品着色剂和药物成分，具有抗氧化、抗菌、抗癌等多种生理活性。
常见的叶绿素食品有绿叶蔬菜、绿茶等。
3. 花色素花色素是存在于花朵中的一类天然色素，主要起到吸引花粉传播者的作用。
花色素可以分为两大类：花青素和类黄酮。
花青素在天然界中非常常见，赋予了花朵丰富的颜色。
它们在植物抗氧化、抗菌、抗癌等方面具有重要的生理活性。
常见的花青素食品有紫薯、蓝莓等。
合成色素的分类合成色素是通过人工合成的化学物质，广泛应用于食品、纺织、塑料、油漆等工业领域。
根据合成色素的结构和用途，可以将其分为有机合成色素和无机合成色素两大类。
1. 有机合成色素有机合成色素是由有机化合物合成的，通常具有鲜艳的颜色和良好的稳定性。
有机合成色素在食品工业中被广泛应用，用于为食品着色、增加吸引力。
常见的有机合成色素有食用红、食用黄等。
2. 无机合成色素无机合成色素是由无机化合物合成的，其颜色通常较为鲜艳，但稳定性较差。
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5、增强植物的抗逆性； 6、提高蛋白质含量； 7、改善作物品质及贮存性能； 8、促进苹果花芽分化，减少落花落果， 提高单果重量， 改善品质，增加果面蜡质层厚度，延 长果品储存期； 9、增强树势，提高抗病能力。
六、人工叶绿素的使用范围
人工叶绿素能促进植物体内三羧酸循 环，提高辅酶A的含量，增加叶绿素提高 光合作用。增强作物抗旱、抗寒、抗病虫 害的能力，显著改善作物品质，增产幅度 大，无毒、无残留、无环境影响。 适用于苹果、柑橘、桃、梨、蔬菜、 棉花、烟草、等经济作物；防治苹果小叶 病，补充植物所需的微量元素锌。
处 理 CK 0．3% 0．5% 0．7% 叶片长度 （cm） 8．4 9．4 9．5 9．6 叶片最大宽度 （cm） 5．8 5．9 7．0 6．6 叶片颜色 绿 深 绿 深 绿 深 绿 叶片光泽 薄、表面无光泽 厚、表面有光泽 厚、表面有光泽 厚、表面有光泽
40 35 30
百叶干重(g)
25 20 15 10 5 0 CK 0.30% 0.50% 0.70% 处理
谢谢！
反应中所产生的葡萄糖，除直接供植 物生長所需外，可转换为蔗糖、淀粉，亦 可辗转合成蛋白質和脂质等物质。 光合作用中合成的有机物是植物赖以 生长的主要物质来源和全部能量来源，也 是其他直接或间接依靠植物生活的生物的 有机物和素的生物合成是比较复杂的，其 合成步骤大致是：先合成单个吡咯环，然 后组成四个吡咯结构的原卟啉Ⅸ ，与镁结 合生成Mg-原卟啉， Mg-原卟啉经过甲基 化，光还原最后与叶醇酯化，就形成叶绿 素a。叶绿素b是由叶绿素a演变过来的。 在叶绿素生物合成过程中有一系列酶参加 催化。
七、人工叶绿素的使用方法
作物 苹果 梨 桃 柑橘 棉花 蔬菜 烟叶 喷施次数 3—4次 3—4次 3—4次 3—4次 3次 3次 3-4次 兑水倍数 800倍 800倍 800倍 800倍 600—800倍 600—800倍 600—800倍 喷施时间 初花期、座果期、果实膨大期、成熟期 初花期、座果期、果实膨大期、成熟期 初花期、座果期、果实膨大期、成熟期 初花期、座果期、果实膨大期、成熟期 苗期、现蕾期、花铃期 移栽成活或成苗后每隔15天喷一次 移栽成活或成苗后每隔10-15天喷一次
CK
0．3% 0．5% 0．7%
5.96
6.51 6.46 5.58
6.65
6.64 7.19 7.00
25.0
29.2 33.7 38.2 16.8 34.8 52.8
20 18 16 14
含糖量（％）
12 10 8 6 4 2 0 ck 0.30% 0.50% 0.70%
处理
图2 苹果含糖量的变化
人工叶绿素
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆
植物的光合作用 叶绿素的生物合成 影响叶绿素形成的条件 人工叶绿素的原理 人工叶绿素的功能 人工叶绿素的使用范围 人工叶绿素的使用方法 人工叶绿素使用注意事项 人工叶绿素的使用效果
一、植物的光合作用
绿色植物利用日光能量，同化二氧化 碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并 释放氧气（O2）的过程，称为光合作用。 叶片是光合作用的主要器官，而叶绿 体是光合作用最重要的细胞器。 植物的叶绿体内有叶绿素和酵素。叶 绿素能吸收太阳光能，并藉酵素的帮助使 二氧化碳和从植物根部吸收的水分合成葡 萄糖。
大棚菜
3次
600—800倍
移栽成活或成苗后每隔15天喷一次
八、人工叶绿素使用注意事项
1、本品应存储于阴晾、通风、儿童不易 接触处，禁止和食品混储； 2、按照说明使用，作物苗期兑水比例应 大，其他季节兑水比例应小； 3、喷后24小时内与雨，需从喷； 4、本品可与农药混用。
九、人工叶绿素的使用效果
表1 富士苹果树喷施人工叶绿素后的叶片生长情况
图1 喷施人工叶绿素对苹果叶片干重的影响
表2
喷施人工叶绿素苹果新生的枝条生长量变化 新生枝长（cm ） 新生枝粗（cm ） 85.1 58.7 57.6 0.635 0.612 0.515
生长处理 CK 0．3% 0．5%
0．7%
43.2
0.476
表3
处 理
喷施人工叶绿素对果实果个及产量的影响
果子纵径 （cm） 果子横径 （cm） 单株产量 （kg） 增产 %
四、人工叶绿素的原理
人工外源补充植物叶绿素前体LA及光 合作用催化剂Zn， LA在植物体内经过一 系列生物化学反应后产生叶绿素，从而增 加植物体内叶绿素的量，提高光合作用， 产生更多的有机物，直接供植物生長所需， 亦可转换为蔗糖、淀粉、辗转合成蛋白質 和脂质等植物营养物质。
五、人工叶绿素的功能
人工叶绿素在植物营养中有多种功能， 其主要如下： 1、提高光合作用，增加光合产物，促进营 养物质的吸收和转送，有利于植物的生长 发育； 2、促进糖分和淀粉的转移； 3、促进植物体内多种酶的活化； 4、减少病虫害的侵袭，尤其对苹果褐斑病 有显著的预防效果；
三、影响叶绿素形成的因素
1、光照 光是影响叶绿素形成的一个重要因素。 2、温度 一般叶绿素合成的最适温度为20～ 30℃, 最低温度为2～4℃，最高约为40℃。 3、水分 植物缺水时，叶绿素生物合成受到抑制， 严重时还会加快原有叶绿素的分解。 4、矿质元素 矿质元素也影响叶绿素的合成，镁、 锌、铁、锰、铜等元素中有的是叶绿素的组成元 素，有的在叶绿素合成中起间接作用。 5、氧气 氧供应不足，影响Mg-原卟啉Ⅸ向原叶 绿素酸酯转化，都会影响其形成。