植物提供了大量聚糖，这些聚糖被人类用于许多目的。
木材主要由木质化的次生细胞壁组成，被用作能源、建筑材料和造纸。
从水果初生细胞壁中分离的果胶和从种子中分离的多糖被用作许多食品和饮料中的增稠剂、稳定剂和胶凝剂。
植物细胞壁是用作动物饲料的草料的主要成分。这些细胞壁作为膳食纤维，也有助于人类健康。
最近对化石燃料开采和消耗的环境成本的担忧，重新引发了人们对利用植物聚糖作为能源生产的原料、用于生成具有改进或新功能的聚合物以及用于生成高价值化学前体的兴趣。
在本章中，我们将简要描述四大类——生物能源、精细化学品和化学原料、聚合材料和纳米材料——其中植物聚糖有潜力取代或提供石油基产品的替代品。
聚糖与生物能源
据估计，陆地植物的光合作用过程每年至少同化1000亿公吨的 CO2。以这种方式产生的化学能主要以碳水化合物的形式储存。其中一些碳水化合物直接用于植物生长和发育，而其他碳水化合物则转化为储存多糖（淀粉和果聚糖），为植物提供了易于获取的能量形式。通过光合作用形成的大部分碳水化合物用于生产围绕植物细胞的多糖富集壁（第24章）。因此，植物细胞壁占生物碳固存的很大一部分，是非石油基能源和高价值化学品的潜在可持续且经济的来源。
目前，通过发酵玉米粒中存在的淀粉生产的第一代生物乙醇几乎占美国从植物材料中产生的液体运输燃料的全部。淀粉首先用酶处理将其转化为葡萄糖，然后通过添加酵母将其发酵成乙醇和二氧化碳。酵母可以将 1 kg 葡萄糖转化为 0.33 加仑 (1.25 L) 乙醇和等量的二氧化碳。美国和巴西合计占世界乙醇产量的高达84%（https://afdc.energy.gov/）。根据美国能源信息署（www.eia.gov）的数据，2019年美国生产了 169 亿加仑 (640 亿升) 乙醇。巴西每年通过发酵从甘蔗中提取的蔗糖生产约 85.7 亿加仑 (320 亿升) 乙醇（https://afdc.energy.gov/）。玉米和甘蔗生物乙醇随后以不同比例与汽油混合或直接用作运输燃料。
对大规模生产玉米基乙醇对食品生产和环境的负面影响的担忧，重新引发了人们对从可在贫瘠土地上种植的可持续植物木质纤维素生物质中生成乙醇和其他液体运输燃料的兴趣。这种生物质主要由木质化的次生细胞壁（第24章）组成，次生细胞壁由纤维素（40%–50% w/w）、半纤维素（25%–30% w/w）和木质素（15%–25% w/w）以及较少量的果胶和蛋白质组成。几种不同的植物，包括杨树、柳枝稷、高粱、芒草、桉树和甘蔗，正在被考虑用作生物能源作物。
能源作物的生物质可以通过发酵或气化转化为液体燃料。在气化中，生物质在低氧环境中加热，生成合成气（氢气、一氧化碳和二氧化碳）和热量。然后，合成气可以通过费托合成反应产生各种化学品，包括醇类或烷烃，这些化学品可以进一步转化为燃料（主要是柴油和喷气燃料）。商业生物质气化的大多数技术挑战都已理解。然而，由于涉及的高资本成本，该过程尚未被广泛采用。
通过发酵从木质纤维素生成液体燃料目前涉及使用酶混合物将生物质转化为糖，然后将糖发酵以获得所需产品。这种方法可能会被集成生物加工 (CBP) 技术的发展所取代，在集成生物加工中，将植物生物质分解为糖的微生物也将相同的糖转化为燃料和化学品等产品。发酵方法在概念上很简单，但在其商业可行之前必须解决许多技术挑战。一个主要障碍是木质纤维素生物质中的纤维素和半纤维素不易被水解酶接近，因此不能有效地转化为可发酵的糖。必须用稀酸、氨或蒸汽对生物质进行预处理以降低这种顽固性。如果通过发酵商业生产生物产品要成为现实，则需要开发具有成本效益和环境友好的预处理技术。用于将纤维素和半纤维素转化为糖的酶的效率也必须提高。为此，正在进行广泛的研究，以工程化嗜热微生物以更有效地分解生物质，并将释放的糖转化为所需产品，从而避免在发酵前用酶混合物从生物质中释放糖的必要性。
对细胞壁结构的理解增加，以及多糖和木质素生物合成的知识，有望促进植物工程化，以生产更适合生物加工的生物质，并成为生物燃料、增值化学品和生物产品的改进资源。然而，需要解决这种改良植物在田间对生物和非生物胁迫的敏感性。通过鉴定产生具有所需特性（包括对糖化顽固性降低）的木质纤维素生物质的天然植物变体，可以减轻这种担忧以及与将转基因植物引入环境有关的担忧。
木质素有望成为商业生物精炼厂的主要副产品，因为它在发酵过程中不会转化为液体燃料。生物精炼厂的早期概念设想燃烧木质素以发电。然而，现在更强调回收木质素的增值利用，为化学工业生产增值化合物。全球正在分配大量资源用于研发，以创建一个可行且可持续的木质纤维素先进生物燃料和生物产品产业。然而，如果这个产业要发展并为生物基经济做出贡献并减少对化石燃料的需求，就必须解决许多技术、环境和社会挑战。
精细化学品和原料
正在研究从木质纤维素生物质中释放的几种糖，包括葡萄糖和木糖，用于生产功能性化学前体，这些前体可用于制造工业相关化合物和聚合物，包括塑料。功能性化学前体的一些示例是醇类（乙醇、丙醇和丁醇）、糖醇（木糖醇和山梨糖醇）、呋喃（糠醛、羟甲基糠醛）、生物基烃（异戊二烯和长链烃）、有机酸（乳酸、琥珀酸和乙酰丙酸）和生物基聚氨酯。目前的研究重点是通过鉴定和工程化改进的发酵生物体和发酵过程以及开发增强的化学催化剂来优化多糖的生物转化（产量、速率、分离、滴度和产品特异性）。
聚合材料
植物源性细胞壁多糖，包括纤维素、木葡聚糖、甘露聚糖和木聚糖，用于生产工业使用的各种聚合材料。它们既可生物再生又具有生物相容性，使其优于石油基对应物。
纤维素已被广泛改性以开发合成的纤维素基聚合物。纤维素膜（玻璃纸）和纤维（人造丝）是使用再生纤维素生产的，再生纤维素本身是通过将天然纤维素（主要来自木浆）溶解在碱和二硫化碳中，然后沉淀聚合物的过程形成的，该过程已使用了至少125年（粘胶法）。
随着社会对具有新特性和功能的聚合物的持续需求，人们加大了努力来开发化学或生物催化反应途径以修饰多糖主链或侧链的结构，从而能够生产具有增强或新特性的多糖衍生物。纤维素是已被广泛改性以开发新的生物源聚合物的植物多糖的一个例子。已开发出反应途径，通过用其他化学基团取代可接近的羟基来生成特定的纤维素衍生物。此类衍生物包括乙酸纤维素、乙酸丙酸纤维素、乙酸丁酸纤维素、羧甲基纤维素和丁酸琥珀酸纤维素。这些产品在许多工业应用中用作涂料、油墨、粘合剂和增稠/胶凝剂。它们还用于制药行业以生产控释药物片剂，以及在化妆品和食品行业中用作增稠和胶凝剂。
几丁质是继纤维素之后第二丰富的天然多糖。几丁质由 1-4 连接的 β-D-GlcNAc 残基组成。它可以酶促或化学脱乙酰化以产生壳聚糖，这是聚糖的阳离子和更水溶性的形式。海产品加工业产生了大量的几丁质（约 500 万公吨）作为废物，因此，人们对开发生物基工艺将这种废物转化为增值产品非常感兴趣。壳聚糖具有可修饰的反应性氨基和羟基，可生成具有不同特性和应用的材料。
半纤维素多糖，包括木聚糖和甘露聚糖，具有类似于纤维素的主链结构，并且在农业和林业副流中含量丰富，包括制浆和粘胶工艺。由于多糖结构的复杂性和可变性，开发具有新功能或增强功能的独特合成多糖具有巨大的潜力。非纤维素基质多糖是酶促合成和功能化的一个有吸引力的目标。它们易于从生物质中提取，并且与纤维素不同，它们通常可溶于水溶液，并且通常被糖基和非糖基取代基取代，这些取代基可被修饰以影响其材料特性。为此，目前的研究旨在进一步理解和利用新的反应途径，以靶向化学或酶促修饰来功能化和/或改变多糖上的特定位置，从而生成区域选择性功能化。
合成或天然衍生的寡糖也可以共价附加到由石油基单体制成的聚合物链上。这产生了具有类似于糖蛋白或蛋白聚糖的结构的糖聚合物。此类材料作为研究工具越来越多地用于研究聚糖的生物学功能，目前正被探索作为用于药物递送的生物材料或作为防污和防冻剂。
糖类纳米材料
来自植物和甲壳类动物壳的纳米材料为开发可生物再生和生物相容的产品提供了新材料。这些纳米尺寸的颗粒由成束的聚合物链组成，具有与其制成的单个聚合物链不同的特性和功能。此类纳米材料可以由纤维素、半纤维素、果胶、几丁质和壳聚糖生产。
主链几乎没有或没有支化的多糖可以自组装形成有序结构，其中单个聚合物链沿链轴堆叠，从而形成晶体结构。
纤维素是具有这种晶体结构的植物多糖的一个例子。在纤维素生物合成过程中，单个葡聚糖链组装形成微纤维结构，其中包含晶体和无序排列。沿纤维素微纤维长度方向的高机械刚度和拉伸强度为植物组织和器官提供了高机械强度、高强度重量比和韧性。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 59.1：(A) 纤维素链的堆叠，显示存在“有序”和“无序”区域。(B) 在一种使用酸水解的纤维素纳米材料提取过程中，无序区域会被优先溶解，而仅有晶体区域得以保留。
可以使用专门的化学-机械提取方法分离纤维素原纤维结构和晶体区域。由此产生的纳米尺寸颗粒，通常被称为纤维素纳米材料 (CNs)，具有与单个纤维素链截然不同的特性和功能（CNs）。CNs 的形态、特性和表面化学因植物来源和用于提取纤维素的条件而异。植物 CNs 通常分类为纤维素纳米晶体或纤维素纳米原纤维。纤维素纳米晶体是棒状颗粒，宽度在 3 到 20 nm 之间，长度在 50 到 500 nm 之间。纤维素纳米原纤维是原纤维状颗粒，宽度在 5 到 100 nm 之间，长度在 500 nm 到几微米之间。这两种 CNs 都具有高刚度和拉伸强度、高表面积与体积比以及可以容易地进行化学修饰以改变其物理化学和材料特性的表面。CNs 是可生物再生和生物相容的，并且环境、健康和安全风险极小。因此，CNs 正被用于开发新产品，包括阻隔膜、分离膜、抗菌膜、食品涂层、水泥/混凝土改性剂、流变改性剂、生物医学应用、催化载体模板支架、电池、超级电容器等等。CNs 的研究、开发和商业化正在加速，并涵盖越来越广泛的范围，所有这些都将受益于糖科学的进步以及正在开发的新表征和合成工具。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 59.2：透射电子显微镜图像显示两种类型的纤维素纳米材料。(A) 通过酸水解生产的纤维素纳米晶体。(B) 通过木浆机械原纤维化生产的纤维素纳米原纤维。
