实验室合成淀粉—距离喝“西北风”的距离还有多远

9月24 日，中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得重大突破，该成果在线发表在国际学术期刊《科学》杂志上，这是国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成，引起了科技圈的热议。

淀粉是自然界中天然生成的数量巨大的高分子碳水化合物，是由单一类型的葡萄糖单元组成的多糖，经光合作用转化而成，以颗粒形式沉积在植物的种子、块茎或根部中，与蛋白质、纤维、油脂、糖及矿物质等共同存在。淀粉广泛地分布于植物界，尤其是稻米、小麦、玉米等谷类的种子以及甘薯、马铃薯等薯类的贮藏组织中。

天然淀粉是由α-1,4-和α-1,6-糖苷键连接的D-吡喃葡萄糖单元所构成的水不溶性葡聚糖，可分为支链淀粉（amylopectin，AP）和直链淀粉（amylose，AM）。大多数正常淀粉通常含有15%～35%的直链淀粉和65%～85%的支链淀粉，一些突变株淀粉的直链或支链淀粉质量分数分别高达85% 和100%。支链淀粉由许多短链构成，这些短链在还原端通过α-1,6-糖苷键连接在一起，这使得支链淀粉成为了高度分支、结构较复杂的大分子葡聚糖。直链淀粉是淀粉的次要组成成分，被认为是基本线性的长链葡聚糖。

自然过程中，淀粉合成与积累需涉及约60 步代谢反应和细胞间运输，此次报道的人工合成淀粉路线，经过逐步简化至11步，可以分为两大阶段：光能到化学能的转化和淀粉的合成。

首先是利用太阳能分解水制备绿氢，并通过二氧化碳加氢还原合成甲醇等含能分子（也称液态阳光），完成光能向化学能的转化与存储。甲醇分子把可再生能源存储在液体燃料中，作为后续淀粉合成的碳骨架和能源载体。

然后，通过设计构建碳一聚合新酶，依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物，最后通过生物途径优化，将碳三化合物又聚合成碳六化合物，再进一步合成支链和直链淀粉。

人工淀粉合成路线

报道发布后，不少媒体和网友都调侃道“靠西北风活着的日子要来了”。但是，作为一种基础研究领域的原创性突破，人工合成淀粉仍处在实验阶段，产业化的道路依然很长。要想实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题，不断提升成果的经济性，才能与农业种植竞争。

如甲醇是具有市场价值的化工产品，其本身价格要高过淀粉，而且按照报道的淀粉合成工艺，甲醇的成本比目前市场价格还要高出几倍。其次是降低提纯二氧化碳的成本，据测算，空气中二氧化碳含量为400ppm，转化为可使用的高纯度二氧化碳需要提纯2500倍，过程中所需的费用与材料都相对较高。再次，将甲醇转化成淀粉需要通过技术手段将碳分子用搭积木的方式连接在碳链上，而每增加一个碳分子在碳链上，都需要消耗巨额能量并产生碳排放。从整个技术合成过程的角度来看，其带来的碳排放也与当前的热点“碳中和”相悖。

淀粉不仅是人们摄取能量的主要来源，同时也是一种重要的工业品，天然淀粉可再生且价格低廉，是许多工业生产的原辅料，特别是在造纸、纺织、医药、石油、食品和发酵等工业方面被广泛应用。相信随着科学技术的发展，有朝一日，人工合成淀粉也将成为淀粉家族的一员，将有更加广阔的应用前景。

参考资料

[1]      韩文芳,林亲录,赵思明,李江涛,牛桂红.直链淀粉和支链淀粉分子结构研究进展[J].食品科学,2020,41(13):267-275.

[2]      廖丽莎,刘宏生,刘兴训,陈玲,余龙,陈佩.淀粉的微观结构与加工过程中相变研究进展[J].高分子学报,2014(06):761-773.

[3]      谢小芳. 大连化物所“液态阳光”助力淀粉人工合成[N]. 大连日报,2021-09-26(001).

[4]      张攀峰. 不同品种马铃薯淀粉结构与性质的研究[D].华南理工大学,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给我们带来了什么？

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

作者简介

小泥沙，食品科技工作者，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品及功能性食品的开发与研究。