9月24 日，中國科學院天津工業(yè)生物技術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)表在國際學術期刊《科學》雜志上，這是國際上首次在實驗室實現(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、纖維、油脂、糖及礦物質等共同存在。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量分數(shù)分別高達85% 和100%。支鏈淀粉由許多短鏈構成，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、結構較復雜的大分子葡聚糖。直鏈淀粉是淀粉的次要組成成分，被認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 步代謝反應和細胞間運輸，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：光能到化學能的轉化和淀粉的合成。

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），完成光能向化學能的轉化與存儲。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，通過設計構建碳一聚合新酶，依據(jù)化學聚糖反應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)友都調侃道“靠西北風活著的日子要來了”。但是，作為一種基礎研究領域的原創(chuàng)性突破，人工合成淀粉仍處在實驗階段，產(chǎn)業(yè)化的道路依然很長。要想實現(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，過程中所需的費用與材料都相對較高。再次，將甲醇轉化成淀粉需要通過技術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。從整個技術合成過程的角度來看，其帶來的碳排放也與當前的熱點“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)方面被廣泛應用。相信隨著科學技術的發(fā)展，有朝一日，人工合成淀粉也將成為淀粉家族的一員，將有更加廣闊的應用前景。

參考資料

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[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。