1立方米产量=5亩玉米产量 人工合成淀粉技术了解一下
2021-12-28 18:24:08老黄小舍
淀粉,既是粮食的主要成分,也是重要的工业原料,在生产生活中应用尤其广泛,烹饪调味料、胶囊外壳、棉纱纺织等等都会用到淀粉。近期,中科院天津工业生物所的科研团队经过6年探索,在实验室里首次实现了淀粉分子的人工合成。
在实验室里首次实现了淀粉分子的人工合成,这是国际上首次创建出电/氢能驱动二氧化碳从头合成淀粉的途径,但是淀粉并非稀缺资源,可以直接从玉米、薯类等农作物中提取。那么,科研人员为什么要费时费力合成淀粉呢?
中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员 蔡韬:自然界中,我们的农作物其实一直都可以做这件事情,但它效率比较低,只能用低密度的太阳能,所以就导致农作物要种很大面积,很长时间,才能获得足够的能量和固定的二氧化碳来合成淀粉。
科研人员希望将工业排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料,将低密度太阳能转化为高密度电/氢能作为能源,形成简单的碳氢化合物,然后再合成复杂的淀粉分子。2015年,在中科院重大科技任务局支持下,该项目在中科院天津工业生物所启动。
中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员 蔡韬:我们设计了一条思路,通过化学和生物耦合。因为化学可以快速把高浓度二氧化碳变成简单的一碳化合物,生物可以把简单的一碳化合物变成复杂的分子,比如说淀粉分子。我们从近7000个反应里面,设计出来一条只有9步的反应。
但这只是一条理论的虚拟途径,科研团队必须在现实中把这条路走通。蔡韬说,计算出来的途径中,很多酶的组合在现实中从未出现过。不同的酶“脾气秉性”不同,因此他们通过模块化的组装与适配,来找到这些问题和矛盾。
中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员 蔡韬:把计算设计这条路径切成4个模块,先找模块内的问题,再找模块间的问题,通过这种方式就把我们原先计算设计的9步途径变成了11步的反应,这11步的反应在现实的试管中就可以实现了,就实现了一碳化合物到淀粉的合成。
团队告诉记者,虽然第一次实现了淀粉合成,但是能力很弱,需要通过蛋白质工程改造和时空分离等策略,将人工淀粉的生产强度提高130多倍,最终实现了整个淀粉人工合成的过程。
整整六年,科研团队进行了几百次测试,完成了33本实验记录,在无数次尝试失败之后,内心的纠结和痛苦无处不在,甚至让他们开始怀疑人生。但也正是这样的坚持,才有了后来的曙光和希望。
自然淀粉中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。从外观上看,人工合成淀粉跟从玉米、薯类等农作物中提纯出来的淀粉是一样的。
中国科学院天津工业生物技术研究所所长 马延和:从加工性能和吃起来的口感上可能会有一些区别。吃起来比较劲道,像粉条那样的感觉。从营养价值到分子结构、外观,这些都没有任何区别。
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。实验室规模小,平均一小时能合成出的淀粉只有几克,但是按照目前的技术参数,在能量供给充足的条件下,1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉平均年产量,这为淀粉生产的车间制造提供了可能。
未来,科研人员要建立从二氧化碳到淀粉的可控网络和生态系统,并尝试在细胞内实现淀粉的人工合成,同时计划在未来5至10年内,建立工业示范,以工业尾气为原料,利用光伏等可再生电源分解水提供氢气,在化学反应器中进行二氧化碳高效还原,在生物反应装置中合成淀粉。
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