我們天天吃的“糖”，能挽救油價嗎？

這些天走進加油站，“破9”的油價格外刺眼。中東沖突加劇石油供應(yīng)緊張，同時石油本身并非取之不盡的化石能源，人們不禁開始思考：如果石油不再可靠，人類還能依賴什么能源？

一個看似簡單卻常被忽視的答案，就藏在我們身邊——糖。

從本質(zhì)上講，糖是地球上最古老、分布最廣泛的能源存儲形式之一。而無處不在的植物，正是生產(chǎn)這種綠色能源的無盡富礦。

每天吃的“糖”，也能作燃料

這里說的糖，可不是奶糖、QQ糖等零食。生物學(xué)上，糖是碳、氫、氧三種元素組成的碳水化合物，是植物通過光合作用固定二氧化碳的產(chǎn)物。奶茶中的白砂糖、廚房里的淀粉、人體血液里的葡萄糖，甚至我們燒的稻草、木柴，它們的主要化學(xué)成分都屬于糖類。

這是糖

這也是糖

這還是糖！

當(dāng)然，糖給我們的第一印象必然是“甜”。糖分子含有羥基（-OH）等極性官能團，能與人體的味覺受體形成氫鍵或疏水相互作用，恰好“卡”進受體的識別位點，我們的大腦便會感知到甜味。

不過，從自然界的角度來看，甜味只不過是糖類微不足道的“副作用”。糖類最重要的功能之一，是作為能量儲存與轉(zhuǎn)運的載體；在代謝或轉(zhuǎn)化過程中，它們可以被分解并釋放出可利用的化學(xué)能，從而成為連接生物體系與能源利用的重要橋梁。

從能源利用特點來看，糖類與石油高度相似。石油等化石燃料屬于碳氫化合物，以碳為核心成分，燃燒時可釋放大量化學(xué)能，是支撐現(xiàn)代社會的核心能源。而糖的核心成分為碳、氫、氧，同樣能通過燃燒釋放能量，在能源屬性上與化石燃料高度契合。

從植物中提取生物質(zhì)原料后（糖、淀粉、纖維素等），加工廠通過發(fā)酵和蒸餾等工藝，將原料轉(zhuǎn)化為乙醇，作為綠色燃料供汽車使用。（圖片來源：AI生成）

作為能源，糖的利用主要分為兩種路徑：直接燃燒可用于供熱、發(fā)電，或者轉(zhuǎn)化為乙醇則能作為車用燃料，直接替代石油。它燃燒時釋放的二氧化碳，正是植物生長時從大氣中吸收的碳，形成閉環(huán)循環(huán)，是真正的碳中和綠色能源。

更關(guān)鍵的是，糖在能源持續(xù)性上具有不可取代的優(yōu)勢：石油由遠古生物經(jīng)億萬年的地質(zhì)作用形成，使用后難以再生，屬于不可再生資源；糖則是廣泛存儲于現(xiàn)存植物體內(nèi)，可通過種植持續(xù)獲取，是真正的可再生能源。從某種意義上說，糖是地球上最古老、也最普遍的可再生能源形式之一。

當(dāng)然，若要完全替代石油，糖類還面臨著一項客觀的物理挑戰(zhàn)：能量密度。相較于純粹的碳氫化合物（石油），糖類的能量密度偏低。例如，同等體積下，生物乙醇的熱值僅約為常規(guī)汽油的65%左右。這也是為什么目前在很多國家，乙醇更多是作為汽油的環(huán)保添加劑，而非直接的完全替代品。

植物：地球上最大的“造糖機器”

糖并非憑空產(chǎn)生，地球上幾乎所有的糖，都來自植物。植物是天然的“造糖工廠”，通過光合作用，將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為葡萄糖、淀粉、纖維素等糖類物質(zhì)，把太陽能轉(zhuǎn)化并儲存為化學(xué)能。如果說石油的本質(zhì)是遠古生物封存的太陽能，那么現(xiàn)代植物正在實時復(fù)刻這一過程。

在地球眾多植物中，有一類“高效造糖機器”——C4植物（碳四植物），代表植物有玉米、高粱、甘蔗等。對地球上約90%的植物來說，它們在光合作用中最先形成的是三碳化合物（3-磷酸甘油酸），都屬于C3植物，而C4植物的最初產(chǎn)物則為四碳化合物（草酰乙酸）。

C4光合作用過程示意圖（圖片來源：Wikipedia）

C4植物僅占全球植物種類的約5%，但是比起種類占據(jù)絕對優(yōu)勢的C3植物，它們對二氧化碳的固定效率更高，即使在高溫和干旱環(huán)境下，依然能瘋狂積累大量糖類。植物合成的糖，可以在微生物作用下被發(fā)酵，轉(zhuǎn)化為乙醇等液體燃料，用于驅(qū)動車輛或發(fā)電。因此，C4植物被認為是生產(chǎn)生物燃料、緩解能源危機的理想原料。

生物燃料的代表性植物

不同植物積累糖、淀粉、纖維素的效率不同，其中不少種類已成為能源開發(fā)的重點對象。

首先是C4植物的典型代表——玉米（Zea mays）。玉米是全球最高產(chǎn)的糧食作物，它不僅是全球的主糧，還撐起現(xiàn)代食品工業(yè)的“甜味經(jīng)濟”（果葡糖漿）。

而在生物燃料領(lǐng)域，全球產(chǎn)量最大的生物乙醇正是玉米乙醇。美國利用其龐大的玉米產(chǎn)能，構(gòu)建了全球領(lǐng)先的生物乙醇產(chǎn)業(yè)鏈，用植物能源有效替代石油，降低能源供應(yīng)風(fēng)險。

玉米是生物乙醇的重要原料（圖片來源：veer圖庫）

要把淀粉變成乙醇，必須先消耗大量能源煮熟，并加入酶進行轉(zhuǎn)化，最后才能發(fā)酵形成燃料。

相比之下，另一種代表性C4植物——甘蔗（Saccharum officinarum），產(chǎn)出能量的效率要更高。甘蔗是全球年產(chǎn)量最高的農(nóng)作物，是全球糖類的主要來源。甘蔗的光合固碳能力極強，含糖量高，而且儲存能量的形式是結(jié)構(gòu)較為簡單的蔗糖。榨出甘蔗汁后，不需要高溫蒸煮，省去了最耗能的糖化轉(zhuǎn)化步驟，可直接用于酵母發(fā)酵，能源產(chǎn)出效率能達到玉米的5-6倍。

甘蔗種植園（圖片來源：veer圖庫）

甘蔗轉(zhuǎn)化為乙醇的流程示意圖（圖片來源：IEEE Spectrum）

在巴西，甘蔗已經(jīng)成為“綠色石油”，當(dāng)?shù)赝ㄟ^將甘蔗發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙醇燃料，實現(xiàn)了汽車燃料的高度自給，極大程度擺脫了對進口石油的依賴。乙醇燃料已經(jīng)完全融入了人們的日常生活，與傳統(tǒng)汽油平起平坐。在巴西的加油站里，甚至哪怕選擇加最普通的汽油，里面可能也被國家強制摻入了高比例的無水乙醇。

巴西的甘蔗機械化收割（圖片來源：Wikipedia）

巴西當(dāng)?shù)氐囊慌_加油機，并列提供了Etanol（乙醇）和Gasolina（汽油）的燃料選項（圖片來源：Wikipedia）

與其他植物相比，玉米和甘蔗不僅具有較高的生物量，更重要的是，它們具備高效的C4光合作用體系，并能將固定的碳以淀粉或蔗糖的形式集中儲存，從而使其成為易于提取和轉(zhuǎn)化的能量載體。這種“高效固定+集中儲存+易于轉(zhuǎn)化”的性狀組合，使它們成為現(xiàn)代生物燃料體系中的核心原料。

生物燃料的新選擇

不過，隨著全球人口增長和耕地資源緊張，大量消耗玉米、甘蔗等糧食或高經(jīng)濟作物來“喂”汽車，勢必會推高全球糧食價格，引發(fā)糧食安全爭議。這迫使科學(xué)家們必須跳出傳統(tǒng)農(nóng)作物的框架，將目光轉(zhuǎn)向非糧作物和貧瘠土地，去尋找下一代更理想的替代者。

在新的能源技術(shù)體系中，科學(xué)家開始關(guān)注另一類C4植物——芒草（Miscanthus）。與甘蔗不同，芒草并不以高糖含量著稱，而是以極高的生物量和纖維素含量聞名。它可以在較貧瘠的土地上生長，投入低、產(chǎn)量高，固碳能力也很強。

芒草通常呈緊湊的叢生狀生長（圖片來源：Wikipedia）

芒草的強大之處還在于，它是一種耐寒的C4植物。通常C4植物（如玉米、甘蔗）喜歡高溫，而芒草在北方較冷的溫帶地區(qū)依然能保持極高的光合作用效率，這是它成為溫帶理想能源作物的核心原因。

芒草的各種特性使其成為“第二代生物燃料”的理想原料。研究人員通過技術(shù)手段，可以將其纖維素分解并轉(zhuǎn)化為燃料。在溫帶地區(qū)，芒草甚至被視為未來能源作物的重要候選。

用于生產(chǎn)生物乙醇的巨芒（圖片來源：Envirotec）

潛在的“水面油田”——浮萍

如果說芒草代表的是陸地上的“纖維能源”，那么在水面上，還有另一類更為輕盈卻潛力巨大的候選者——浮萍（Lemna）。這種在池塘和湖泊中隨水漂浮的小型植物，看似微不足道，卻擁有驚人的生長速度。在適宜條件下，浮萍可以通過無性繁殖迅速擴增，短時間內(nèi)覆蓋大面積水面。

浮萍（圖片來源：作者自攝）

更重要的是，浮萍能夠?qū)⒐夂献饔卯a(chǎn)生的能量以淀粉的形式高效儲存在體內(nèi)。在氮等營養(yǎng)元素受限的條件下，這種“儲能傾向”會進一步增強——植物將更多碳轉(zhuǎn)化為淀粉，而不是用于生長。這一過程被稱為“碳/氮代謝重分配”，也是當(dāng)前提高生物燃料原料效率的重要研究方向。

研究表明，通過調(diào)控營養(yǎng)條件，研究人員可以顯著提高浮萍的淀粉含量，使其成為潛在的生物燃料原料來源。由于其快速生長與高效儲能的特性，科學(xué)家甚至將其形象地稱為“水面油田”。此外，浮萍還具有獨特的生態(tài)優(yōu)勢：它能夠快速吸收水體中的氮、磷等營養(yǎng)鹽，從而減少水體富營養(yǎng)化風(fēng)險，并抑制有害藻類的爆發(fā)。同時，其較高的蛋白質(zhì)含量也使其具備作為飼料資源的潛力。

水面上的浮水植物，紅色箭頭處為浮萍（圖片來源：作者自攝）

無論是已經(jīng)大規(guī)模投入燃料生產(chǎn)的玉米、甘蔗，還是高生物量的芒草、高周轉(zhuǎn)率的浮萍，植物正在以不同方式，將陽光與二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖類這一獨特的能源形式，而人類利用糖類的方式也在不斷演進。全球碳中和的背景下，糖類被賦予了全新的意義。

也許下一次，當(dāng)你喝下一口甜飲時，可以稍微停留一秒。那種熟悉的甜味，不只是味覺的愉悅，它來自陽光、空氣與水的轉(zhuǎn)化，來自植物對碳的捕獲與重塑，也連接著人類對能源、環(huán)境與未來的全部想象。

甜，從來不只是甜。

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作者：劉洋、江紅生

作者單位：中國科學(xué)院武漢植物園

來源：科學(xué)大院

編輯：韶音

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