生物質是糖平台一種能替代化石能源的可再生碳資源，其中所富含的木质多糖類物質為乙醇等燃料能源生產提供了大量發酵底物，但實現這一過程的素的生物前提是原料的高效糖化，其中木質素的炼制绿色降解是木質纖維素原料高效糖化的主要結構屏障。由於木質素結構複雜而致密，化学需要高溫高壓或者強酸強堿才能破壞其結構，糖平台這些方法能耗高且不綠色環保。木质基於一直貫穿高中化學教學中的素的生物綠色化學理念，利用生物酶催化途徑高效降解木質素，炼制绿色能提供綠色、化学環保和低能耗的糖平台預處理手段以克服木質纖維素的結構屏障，然後最大限度地利用木質素纖維素中的木质多糖組分，在生物能源的素的生物糖平台上增加糖的釋放。在高中化學教學過程中，炼制绿色通過展示酶催化生物質能的化学過程，一方麵將綠色化學的理念滲透在教學過程中，另一方麵有助於跨學科跨情境的綜合能力的培養，將生物酶法與化學催化劑對應，進而提高學生對催化領域的興趣，培養科學精神與社會責任等化學核心素養，激發他們探索前沿科學領域並立誌解決人類麵臨的發展問題。
隨著化石資源日益枯竭和能源需求逐漸增加，木質纖維素被認為是用於生產液體燃料和化學品最有前景的化石資源替代原料。從木質纖維素原料中高效獲取可發酵單糖是生物質液體燃料及生物基材料生物煉製的限速步驟，需要打破木質纖維素的酶解抗性。
木質纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，其中纖維素是木質纖維素中含量最高的多糖組分，通常一條鏈中有10 000多個葡萄糖分子，通過β-1,4糖苷鍵聯接。纖維素酶現在已經發展的很成熟，酶的活力單位提高，單位酶活力的生產成本不斷下降，用纖維素酶可以將纖維素徹底降解成可發酵的葡萄糖。高中化學有機化學模塊主題3:生物大分子及合成高分子中，就可以開展相應的纖維素這種生物大分子酶催化水解的相關實驗。
但是不同於單一多糖成分的簡單糖化過程，由於植物為了抵禦微生物和動物的侵害，在木質纖維素長期進化過程中形成了由纖維素、半纖維素和木質素交錯摻雜而成的、具有複雜的物理和化學結構的生物大分子(圖1),其中木質素就好像“膠水”一樣，將能夠水解成可發酵單糖的纖維素和半纖維素纏繞包裹在一起，形成了木質纖維素的酶水解糖化抗性屏障。因此要想將木質纖維素高效酶解糖化，不僅僅是針對纖維素這單一組分而言，而是涉及木質纖維素中所有組分的綜合轉化。除了纖維素和半纖維素等多糖物質的轉化，還包括木質纖維素中木質素這一關鍵抗性屏障的克服。木質素的存在是限製木質纖維素中多糖酶解的關鍵抗性結構屏障是現在普遍認同的理論，有許多實驗都證明隨著木質素去除的增加木質纖維素的糖化效率也會隨著增加。
研究表明，木質素主要從兩方麵限製了木質纖維素的酶解糖化。第一，木質素大分子天然的結構錯綜，充當“膠水”與多糖化合物之間共價連接形成物理結構屏障，圖1顯示了木質纖維素中木質素的位置及其對纖維素和半纖維素的包裹。這種結構屏障阻礙了木質纖維素中的纖維素組分與纖維素酶的充分接觸(即纖維素的可及性),這種空間位阻作用限製了木質纖維素的酶解糖化效率。第二，木質纖維素中的木質素組分會對纖維素酶產生吸附作用，這部分被木質素吸附的纖維素酶屬於無效吸附，且這種吸附作用還是不可逆。從而導致消耗更多的纖維素酶酶負荷和木質纖維素中纖維素組分的酶解效率降低。綜上所述，木質素類似“膠水”似的物理結構屏障和其對纖維素酶無效的、不可逆的吸附作用共同構成了木質纖維素酶解的抗性因素。
由於木質纖維素底物酶解抗性因素的存在，需要經過合適的預處理過程，才能高效的將木質纖維素底物轉化成可發酵單糖。木質素結構複雜而致密，需要高溫高壓或者強酸強堿才能破壞其結構，如機械粉碎、輻照、酸堿預處理、蒸汽爆破等,但這些理化方法能耗高且非綠色環保。如圖2所示，生物預處理能有效破壞木質素的天然結構抗性屏障，從而增加木質纖維素中多糖組分的酶解糖化效率。相比綠色、環境友好的生物預處理，理化預處理除去木質素麵臨以下挑戰：(1)對反應設備要求高，耗能也高；(2)反應過程中產生的小分子化合物對貴重金屬催化劑有毒害作用；(3)選擇性裂解木質素中的C-O鍵，造成木質素嚴重的和不可逆轉的高度縮合，縮合後的木質素更難以被化學解聚；(4)理化預處理過程中會產生糠醛、5-羥甲基糠醛等物質，這些物質對後期單糖發酵有抑製作用。而生物預處理具有能耗低、成本低、反應條件溫和、環境友好以及預處理過程不會產生後期單糖發酵的抑製物等一係列優點。綜上所述，生物預處理更加符合“綠色化學”生產理念。
自然界中木質纖維素的天然腐朽過程有望為這一難題的解決提供新思路。白腐真菌(White rot Fungus)是自然界中目前已知的最有效的木質素降解者，當前研究表明，白腐菌對木質素的降解主要依賴於其分泌的木質素酶係統包括木質素過氧化物酶(Lignin Peroxidase,LiP)、錳過氧化物酶(Manganese Peroxidase,MnP)、漆酶(Laccase,Lac)等經典木質素酶。近年研究表明，其中還可能存在一些非經典的新型木質素酶，也在木質素降解中發揮重要作用，如多功能過氧化物酶(Versatile Peroxidase,VP)等。此外，一些和自由基氧化反應相關的小分子多肽或天然介體等輔助物質也涉及木質素的協同降解作用。那麽，能否基於白腐菌的胞外木質素降解係統的研究構建高效木質素複合降解酶係，實現木質素的高效降解呢?
白腐真菌及其相關木質素降解酶能夠在環境友好的條件下有效降解木質素，是生物質“糖平台”預處理的重要途徑。早在90年代，就有研究利用黃孢原毛平革菌及其產生木質素酶進行木質素的降解。真菌中的漆酶在木材、造紙工業等領域都有廣泛的應用，對於木材有一定的脫木素能力。Rodrigue等利用白腐真菌分泌的胞外酶液降解麥稈中的木質素，通過打破木質素結構屏障提高了麥稈的纖維素利用率。還有許多研究利用白腐真菌分泌的木質素酶作用能使木質素纖維素中木質素降解5.2%～25.2%不等。還有一些研究發現不同類型木質素酶之間存在協同作用，能夠提高木質素降解效率。如Galliano等發現利用Lac與MnP同時作用於木質素，其木質素降解率要高於單獨酶的降解;王海磊、曾光明等也先後發現木質素的降解與降解體係中木質素酶活比值密切相關;因此，通過挖掘不同類型白腐菌胞外木質素降解係統中木質素酶資源並基於其木質素酶的協同作用策略，能夠實現木質素的複合高效降解。2013年，宋麗麗等通過培養條件優化，首次使生物預處理的效果與傳統理化方法的效果相當，在最佳培養條件下，白腐菌預處理後使玉米秸稈的葡萄糖轉化率達到了91.41%,而之前Wang等人采用高溫、稀堿預處理木質素纖維素後葡萄糖的轉化效率為90.43%。2016年基於綠色化學理念的生物和酶催化法也在進一步的研究和發展之中，在保留生物和酶催化環保無汙染、能耗低等優點的同時，又進一步提高了其處理和催化效率。
本文簡單介紹了低能耗、環境友好的生物質能源“糖平台”生物煉製預處理技術，以及能在生物質能源“糖平台”上的應用生物酶催化劑。比起傳統的化學催化劑，生物酶催化劑有著低能耗和綠色環保的優點，但是也存在容易失活、催化效率不高等問題。所以需要進一步研究，可以通過定向進化、固定化酶、分子改造等手段提高生物酶的催化穩定性和效率，從而擴大和發展生物酶在化學催化中的應用。
在高中化學教學過程中，可以把本文內容和化學催化劑結合起來，將綠色化學的理念滲透在教學過程中。在人教版高中化學教材也有很多地方體現了“綠色化學”的理念，如：必修2第四章第二節“化學與資源綜合利用、環境保護”中涉及了環境保護與綠色化學。而催化劑的概念早在人教版初中化學教材中就已明確提出，學生也都耳熟能詳。高中化學必修1第四章第四節通過“氨的合成”主題學習活動，要求了解合成氨的原理、原料、重要設備、流程和意義，認識到催化劑的研製對促進化學工業發展的重大意義，認識化工生產對人類環境的可持續發展可能產生的影響。讓學生體會到化學反應的催化劑可能不止一種，選擇催化效果更好的催化劑能最大量地提高化學工業效率、降低能源消耗、進而減少對環境的不利影響。提高學生對催化領域和生物化學交叉學科的興趣，培養科學精神與社會責任的化學核心素養，激發他們探索前沿科學領域並立誌解決人類麵臨發展問題的社會責任感。
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