5　能源植物

5.1　生物质能源的成分

生物质是由多种高分子有机化合物组成的复合体，主要包括纤维素、半纤维素和木质素以及少量的淀粉、蛋白质、脂质等，其中纤维素、半纤维素和木质素占生物质的85%~95%，也是地球上储量最大的物质。

（1）纤维素。纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子，是取之不尽、用之不竭的人类最宝贵的天然可再生资源。纤维素是由许多β-D-葡萄糖基通过1，4苷键连接起来的线形高分子化合物，是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，其所含碳量占植物界碳含量的50%以上（见图5-1）。

图5-1　纤维素结构

（2）半纤维素。半纤维素是指在植物细胞壁中与纤维素共生、可溶于碱溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。半纤维素是来源于植物的聚糖类，它们分别含有一至几种糖基，如D-木糖基、D-甘露糖基与D-葡萄糖基或半乳糖基等构成的基础链，而其他糖基作为支链连接于此基础链上（见图5-2）。一种植物往往含有数种由两种或三种糖基构成的半纤维素，其化学结构各不相同。植物的茎、枝、根、皮的半纤维素含量和组成也不同。因此，半纤维素是一类物质的名称。半纤维素存在于植物之中，各种植物都含有其特性半纤维素，而且含量各异，如针叶材含15%~20%，阔叶材和禾本科草类含15%~35%。

图5-2　半纤维素结构

不仅如此，其分布也因植物种属、成熟程度、早晚材、细胞类型及其形态学部位的不同而有很大差异，例如：针叶材所含的主要半纤维素是聚半乳糖、葡萄糖、甘露糖，而阔叶材和禾本科草类的却是聚木糖类；针、阔叶材的射线细胞比管胞细胞和纤维细胞含较多的聚木糖类；聚木糖类在针叶材细胞次生壁的中层含量最低，在次生壁外和内层却较高，而聚半乳糖、葡萄糖、甘露糖类的分布则恰恰相反。

（3）木质素。木质素是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物（见图5-3）。木质素是构成植物细胞壁的成分之一，具有使细胞相连的作用，它是三种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。在木本植物中，木质素占25%，是世界上仅次于纤维素的有机物。

图5-3　木质素的推测结构举例

（4）蛋白质、脂质与淀粉。蛋白质、脂质与淀粉虽然在生物质中的总体含量不高，但在部分生物结构体如种子、壳体、花粉中含量较高，在一些生物品种中含量也较高。由于该部分生物质更适合用于生产乙醇、生物柴油、燃料油或制氢等，所以，提高该部分生物质的含量和产量也是生物工程技术更为关注的方向。