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中国将再次伟大?人工合成淀粉,同时解决全球变暖与粮食危机

新华社北京9月24日报道,中科院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得了重要进展,提出了一种颠覆性的淀粉合成方式,不依赖光合作用,以二氧化碳、电解产生的氢气为原料,成功生产出淀粉!相关研究成果9月24日在线发表于《科学》期刊上。

二氧化碳变成淀粉,究竟是怎么实现的?

大家都知道淀粉遇碘呈蓝色,已经被广泛用于检测碘或淀粉的存在实验中,在我们日常食用的主粮中,淀粉占比很高,比如小麦中含淀粉63-65%,大米中淀粉占比在60%~70%,不同品种的大米淀粉占比也不异样。

淀粉也被称为碳水化合物,简单地说也是糖类,是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称,基本上是我们日常摄入热量的主要来源,它的结构有很多种,在自然状态下是通过光合作用合成的。

光合作用怎么变成淀粉?

光合作用是植物、藻类等生产者和某些细菌等利用光能把二氧化碳、水或硫化氢变成碳水化合物的过程,分为分为产氧光合作用和不产氧光合作用两类;植物的光合作用的过程可分为光反应和碳反应两个步骤:

12H2O +阳光→ 12H2 + 6O2 [光反应]

12H2 (来自光反应) + 6CO2 → C6H12O6 (葡萄糖) + 6H2O [碳反应]

它需要阳光水以及二氧化碳的参与,属于太阳能利用的一种方式,尽管它的理论效率可达11%,但会因为吸收不良,光合作用的呼吸要求以及最佳太阳辐射水平等影响,整体效率很低,总光合效率在总太阳辐射的3%到6%之间。

当然这也架不住全球植物和藻类覆盖面积太大,是全球碳水化合以及氧气的极其重要的来源,如果没有光合作用就没有地球生命存在的基础。

人工合成淀粉究竟是怎么实现的?

从光合作用的反应式来看似乎非常简单,但要用人工合成来代替光合作用,差不多就是代替了自然界经过亿万年演化而来的生物化学过程,其难度可想而知!

人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装

中国科学院天津工业生物技术研究所马延和研究员带领团队,研究团队采用了一种类似“搭积木”的方式,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,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(C3)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(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子的结构组成一致。

这个人工合成的效率可达自然界农业生产方式的8.5倍,1立方米的生物反应容器就可达5亩玉米地的生产水平,未来的农业生产将真的变成工厂,假如有一天《流浪地球》时代来临,还真可以进入地下工业化生产粮食

人工合成淀粉究竟有多大意义?

相信很多朋友对这条新闻无感,不就实现个合成淀粉么,有啥了不起的?但事实上这个新闻一出,比较了解科学的朋友一定发现了一个惊人的事实,合成淀粉需要用到什么?二氧化碳!

同时解决全球变暖与粮食危机

如果产业化成功,未来大规模合成淀粉,那么需要天文数字般的二氧化碳气体,从哪里获取?它可以来自二氧化碳含量很高的工业废气,比如重要的工业产品石灰石的生产中就会产生大量的二氧化碳,比例大约是100吨石灰石在生产过程中分解会产生约44吨二氧化碳。

原本这些不是排入大气层就是生产工业二氧化碳,如果在大规模应用下,甚至可以收集大气层中的二氧化碳来制造淀粉,结果是什么,全球变暖的最大原因的温室气体来源被解决,所以巴黎协定中设定的减排路线,在大规模合成淀粉的情况下,将会更容易实现。

美国粮食供应全世界的格局将被打破?

2020年5月5日,新华网报道,“美国每年向全球供应约1.5亿吨的粮食出口数量。其中,大豆出口占全世界出口总额的37%,玉米占全世界出口总额的47%,小麦占全世界出口总额的22%,这是一组非常惊人的数字。”

全球各国粮食出口排名

在全球粮食出口榜单上,美国印度和东南亚国家总是前三甲,很难相信美国一个现代化科技国家还是一个农业大国。事实上美国的操作确实是最优秀的,从农业到高科技都将依赖美国的供应链,这一点简直就无懈可击。

从农业到工业化的转变过程中,很多农田都转为种植经济作物,钱也许赚得比以前多,但有一天用钱买不到粮食的时候,该怎么办?所以我国一直在强调主粮必须自给,我们对着粮食安全有着极其清晰的认识。

未来的人工合成淀粉,也就是人类最大的热量来源碳水化合物一旦解决,其意义重大无法用言语来表达,请试想全球有多少人处在饥饿状态,他们对于食物的需求是解决温饱,而一旦大量低成本的淀粉敞开供应,不知道能解决多少人的肚子问题。

2021年9月5日,联合国粮农组织公布报告:2020年,全世界有多达8.11亿人面临饥饿,面临饥饿的人数比2019年多出1.61亿,近23.7亿人无法获得充足的食物,比2019年增加3.2亿人。

要换台词了吗?

是不是瞬间有种技术在手,天下我有的感觉?换成美国前总统特朗普的调调,“中国将再次伟大”,其实无论有没有合成淀粉技术,中国人已经在“再次伟大”的路上了。

延伸阅读:人工合成淀粉,到底能不能吃?

上文中的合成路线最终产物是直链和支链淀粉,大米中这两种淀粉的比例差异就决定了米饭的口感,比如直链淀粉的韧性口感较低,弹性低,有点糊糊状的感觉,而支链淀粉含量高,煮熟后的粘性也比较高,米饭韧性口感比较好。

而且论文中也提到了核磁共振等检测发现,人工合成淀粉分子与天然淀粉分子结构组成是一致的,也就是说和天然淀粉没有区别,是可以食用的,当然各位也放心,在正式上市销售以前,一定会经过大量的试验,以确定其生物安全性。