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【科学故事会】二氧化碳如何“变身”成糖?

科学故事会 杨建刚 2024-12-12 12:39

一提到糖,大家不自觉地产生愉悦的感觉。可以说糖和我们生活息息相关,日常食用的很多食物中都有糖的影子,比如:蜂蜜、玉米、可乐,等等。但你们知道吗?糖是国家战略物资,而我们国家每年糖的进口总量达到300~500万吨。为了保障糖供应,我们要试着学习新技术,采用新工艺。

 

为什么要人工合成糖?

我们吃的淀粉和糖,都得靠种植植物来获取。植物通过光合作用,把二氧化碳和太阳的能量变成淀粉和糖存起来,我们再加工一下就能吃了。但问题是,植物们进化了这么多年,已经习惯了自然环境,在把能量变成淀粉和糖这方面,效率不是特别高,同时它们对二氧化碳的浓度还特别挑。

你们知道吗?用光合作用做淀粉,理论上太阳能变成淀粉的效率是2%,但实际上呢,只有0.67%,相差很远。而且,它还不能直接用高浓度的二氧化碳,这就让做淀粉的速度慢下来了。所以,咱们得种很多的玉米、甘蔗,才能满足大家的需要。这就是所谓的“效率不够,数量来凑”。

可现在的环境,说变就变,干旱、暴雨、虫子这些不可控因素,都影响收成。而且,随着全球人口激增以及全球气候变暖等问题,都要求开发可替代种植的合成路线,在未来保障淀粉和糖供应安全。


△人工合成糖样品

 

人工合成糖是怎么做的?

在前期,我们集合了研究所内外的优势团队进行攻关。经历了上万次的探索,我们最终开发出了化学催化和生物催化一体技术,能够成功转化二氧化碳合成淀粉!

具体怎么做呢?首先,通过电解水制备氢气,然后让氢气和二氧化碳在化学催化剂的帮助下变成甲醇。接下来,甲醇通过人工搭建的生物转化系统,实现合成淀粉和糖。人工淀粉研究成果发表之后,我们又进一步聚焦到糖这一类重要食品原料上,又是两年埋头苦干,最终实现人工合成糖分子,并能够精准控制糖产物构型。并且除了合成淀粉和己糖,我们还实现了合成特种淀粉、蔗糖等产物。

简单来说,我们这套人工合成大法,就靠这么几样宝贝:太阳能或风能、二氧化碳、水、催化剂,还有发酵罐。


 

人工合成糖还有哪些?

这项成果发表后,立马引起了广泛关注和积极评价。

往小了说,跟传统种植庄稼相比,人工合成糖不需要大片土地,阳光也直接换成了电能,步骤少了,效率高了。往大了说,这项技术能帮我们国家减轻土地负担,让土地更多地用来种粮食,有效地保障粮食安全;另一方面,通过二氧化碳捕集转化,变废为宝,我国离实现2030年二氧化碳排放达到峰值、2060年碳中和的目标又近了一步;最后,未来太空探测甚至火星移民中,如何保障食物供应?我们的技术有可能提供一种解决方案。

当然,目前人工转化二氧化碳合成淀粉和糖技术还不是很成熟,但是这并不妨碍我们继续前进,因为我们知道这件事是必须做的,也是我们这一代年轻人应该做的。

文/杨建刚(中国科学院天津工业生物技术研究所)

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