人类不用种地了? 人工合成淀粉 一文带你了解清楚
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人类不用种地了? 人工合成淀粉 一文带你了解清楚

2021年09月26日 17:46:18
来源:凤凰网美食

策划|王振宇

作者 |冯毅

编辑 |冯毅

人类不用种地了? 人工合成淀粉 一文带你了解清楚

据新华网报道,9月23日,中国科学院召开本年度首场新闻发布会,中国科学院召开本年度首场新闻发布会,介绍该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。该所研究人员以二氧化碳、氢气为原料,成功生产出淀粉。

9月24日,相关研究成果《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》在线发表于《科学》杂志。这标志着国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。

消息一出,立刻引发了国内外网友的热议。有国内网友评论道:“终于喝上西北风了”“拯救世界还要看中国,空气也能变馒头!”还有外国网民表示:“如果美国掌握了这项技术,那么他们的肥胖率将达到90%。”“以后可以去火星种粮食了。”

同时,也有成千上万的网友表示好奇:作为划时代的科研成果,人工合成淀粉研发难度为何如此之大?它何时能出现在我们的餐桌?又是什么味道的?

对此,凤凰网美食携手凤凰网健康与美食领域特邀专家,美国食品技术协会高级会员、著名科普工作者云无心,为大家解答人工合成淀粉的门道。

人工合成淀粉什么味道?

根据科研团队介绍,在外观上,人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉看起来是一样的。

可如果把人工合成淀粉做成面条、粉丝,大概会像意大利面那样劲道。因为自然淀粉是直链淀粉和支链淀粉混在一起,目前实验室里合成的主要是直链淀粉,合成的支链淀粉没有自然淀粉中的支链淀粉那么复杂。

为什么要研究人工合成淀粉?

这是生命科学研究的一个里程碑。它标志着人类可以绕过叶绿体,去操控并且更高效地实现光合作用所完成的能量转化。

众所周知,糖类和脂肪、蛋白质并称为人体三大营养物质。我们所吃的米饭、馒头、面条都会被人体分解为淀粉,最后分解为糖,为人体提供能量。而在自然条件下,淀粉这种葡萄糖分子聚合而成的多糖,只能依靠绿色植物或藻类,利用太阳的光能,通过复杂的光合作用同化二氧化碳和水来制造。

而人工合成淀粉,则让人类绕开了植物,直接生产生命所需的糖类物质。如果该技术进一步成熟并能被广泛应用,那么获得粮食将不再依赖农民辛勤的耕种。

与此同时,粮食危机、气候变化是人类面临的重大挑战。目前全球以淀粉为原料的产品大约有3万多种,找到更廉价、更大量的替代淀粉,对于促进碳中和的生物经济发展,推动可持续经济,有望起到积极作用。

人工合成淀粉是如何做到的?其有哪些突破?

简单来说,人工合成淀粉是通过光伏发电获得电能,再用电解水产生的氢气,把二氧化碳转化为甲醇。再通过一系列生化反应,把甲醇转化为多个碳的有机分子,最终组装成淀粉。

这个过程中,科研团队需要在从二氧化碳到淀粉的 6568 个生化反应中,计算出了一条最短的合成途径。与此同时,在这个复杂的过程中,需要使用不同的酶作为催化剂,起到加速或稳定反应的作用。

可现实中,很多酶的组合或是没有,或是本身存在各种问题。科研团队需要在重新设计这些酶的同时,改造来自动物、植物、微生物等不同物种的生物酶。

设计这一系列反应,改造筛选所用的酶,都是科学的突破。

人工合成淀粉在国际和国内有没有先例?

人工合成淀粉,在国内和国际都没有先例。

不过科研中类似的例子,早在1958年,中国就已经开始了。到1965年9月17日,世界上第一个人工合成的蛋白质——牛胰岛素在中国诞生。

这是世界上第一次人工合成与天然胰岛素分子相同化学结构并具有完整生物活性的蛋白质,标志着人类在揭示生命本质的征途上实现了里程碑式的飞跃,是当年接近获得诺贝尔奖的重大成就。

除此之外,还有近年来各种通过细胞培养,直接生产的肉类,也可以看作是一种类似的尝试。

这项技术未来有哪些应用?

不仅仅是最终的产物淀粉,还有从二氧化碳到淀粉转化过程中的中间产物,比如甲醇、糖等等,也都可以作为工业原料。其中所用到的酶,也可能在其他的生产中使用。生产的淀粉除了食用,也是重要的工业生产原料。

这项技术目前还面临哪些挑战?

现在,该研究只是实现了“从0到1”的突破,也就是证明了“人类能做到”以及“如何去做到”。想要用它来生产,还需要实现“高效、经济地做到”。实现后者,至少有两个方面的挑战需要克服:

一是能源。目前的方案是用光伏发电的技术把光能转化为电能。在目前,光伏发电只是在技术上成熟,而在应用方面还远远无法跟火电、水电相比。人工合成淀粉,要么等待光伏发电技术的进一步发展,要么是去占用现在已经供应紧张的电力。

二是酶。这个人工合成淀粉方案需要用到十几种酶的参与。酶是具有催化活性的蛋白质,生产成本并不低。要把人工合成淀粉进行应用生产,也就意味着这些酶也需要工业化生产。

这项技术想要达到实际应用,需要生产成本跟种植植物来获得淀粉相当或者更低——而这,需要更多科学技术工程门类的参与协作,而不是单靠这项“技术突破”就可以的。