9月24 日，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破，該成果在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上，這是國際上首次在實(shí)驗室實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成，引起了科技圈的熱議。

淀粉是自然界中天然生成的數(shù)量巨大的高分子碳水化合物，是由單一類型的葡萄糖單元組成的多糖，經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化而成，以顆粒形式沉積在植物的種子、塊莖或根部中，與蛋白質(zhì)、纖維、油脂、糖及礦物質(zhì)等共同存在。淀粉廣泛地分布于植物界，尤其是稻米、小麥、玉米等谷類的種子以及甘薯、馬鈴薯等薯類的貯藏組織中。

天然淀粉是由α-1,4-和α-1,6-糖苷鍵連接的D-吡喃葡萄糖單元所構(gòu)成的水不溶性葡聚糖，可分為支鏈淀粉（amylopectin，AP）和直鏈淀粉（amylose，AM）。大多數(shù)正常淀粉通常含有15%～35%的直鏈淀粉和65%～85%的支鏈淀粉，一些突變株淀粉的直鏈或支鏈淀粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別高達(dá)85% 和100%。支鏈淀粉由許多短鏈構(gòu)成，這些短鏈在還原端通過α-1,6-糖苷鍵連接在一起，這使得支鏈淀粉成為了高度分支、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的大分子葡聚糖。直鏈淀粉是淀粉的次要組成成分，被認(rèn)為是基本線性的長鏈葡聚糖。

自然過程中，淀粉合成與積累需涉及約60 步代謝反應(yīng)和細(xì)胞間運(yùn)輸，此次報道的人工合成淀粉路線，經(jīng)過逐步簡化至11步，可以分為兩大階段：光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化和淀粉的合成。

首先是利用太陽能分解水制備綠氫，并通過二氧化碳加氫還原合成甲醇等含能分子（也稱液態(tài)陽光），完成光能向化學(xué)能的轉(zhuǎn)化與存儲。甲醇分子把可再生能源存儲在液體燃料中，作為后續(xù)淀粉合成的碳骨架和能源載體。

然后，通過設(shè)計構(gòu)建碳一聚合新酶，依據(jù)化學(xué)聚糖反應(yīng)原理將碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通過生物途徑優(yōu)化，將碳三化合物又聚合成碳六化合物，再進(jìn)一步合成支鏈和直鏈淀粉。

人工淀粉合成路線

報道發(fā)布后，不少媒體和網(wǎng)友都調(diào)侃道“靠西北風(fēng)活著的日子要來了”。但是，作為一種基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的原創(chuàng)性突破，人工合成淀粉仍處在實(shí)驗階段，產(chǎn)業(yè)化的道路依然很長。要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還需解決諸多的科技難題，不斷提升成果的經(jīng)濟(jì)性，才能與農(nóng)業(yè)種植競爭。

如甲醇是具有市場價值的化工產(chǎn)品，其本身價格要高過淀粉，而且按照報道的淀粉合成工藝，甲醇的成本比目前市場價格還要高出幾倍。其次是降低提純二氧化碳的成本，據(jù)測算，空氣中二氧化碳含量為400ppm，轉(zhuǎn)化為可使用的高純度二氧化碳需要提純2500倍，過程中所需的費(fèi)用與材料都相對較高。再次，將甲醇轉(zhuǎn)化成淀粉需要通過技術(shù)手段將碳分子用搭積木的方式連接在碳鏈上，而每增加一個碳分子在碳鏈上，都需要消耗巨額能量并產(chǎn)生碳排放。從整個技術(shù)合成過程的角度來看，其帶來的碳排放也與當(dāng)前的熱點(diǎn)“碳中和”相悖。

淀粉不僅是人們攝取能量的主要來源，同時也是一種重要的工業(yè)品，天然淀粉可再生且價格低廉，是許多工業(yè)生產(chǎn)的原輔料，特別是在造紙、紡織、醫(yī)藥、石油、食品和發(fā)酵等工業(yè)方面被廣泛應(yīng)用。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有朝一日，人工合成淀粉也將成為淀粉家族的一員，將有更加廣闊的應(yīng)用前景。

參考資料

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[3]      謝小芳. 大連化物所“液態(tài)陽光”助力淀粉人工合成[N]. 大連日報,2021-09-26(001).

[4]      張攀峰. 不同品種馬鈴薯淀粉結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究[D].華南理工大學(xué),2012.

[5]      https://www.science.org/doi/10.1126/science.abh4049

[6]      淀粉革命：二氧化碳合成淀粉到底給我們帶來了什么？

https://baijiahao.baidu.com/sid=1712799359967097713&wfr=spider&for=pc

作者簡介

小泥沙，食品科技工作者，現(xiàn)就職于國內(nèi)某大型藥物研發(fā)公司，從事營養(yǎng)食品及功能性食品的開發(fā)與研究。