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时隔56年再次封神!从60多步到11步,合成淀粉能拿下诺奖吗?

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将来生产粮食或许不用再种地,只需20万亩的生物反应器就能生产出全国6.4亿亩玉米的淀粉总产量。这听起来像是科幻电影里面的情节,但如今正在成为现实!

2021年9月24日,我国科学家在国际知名期刊Science上发表重大科技成果,首次对外公布了一种颠覆性的淀粉制备方法。


在实验室条件下,我国科学家以二氧化碳氢气为原料,精心设计了11步化学聚糖主反应,成功合成了淀粉,生产效率是传统农作物的8.5倍,将原来60多步生化反应缩短了50多步,大大提高了效率,在全球科学界引发巨大轰动。

人工合成淀粉有哪些优势?
  • 第一,可节约90%以上的淡水和土地资源。

如果能量供应充足,那么1m³的反应器生产的淀粉量就相当于5亩玉米。据统计,我国玉米的平均亩产量在800~1200斤左右,折中取1000斤来计算,1m³的反应器就可生产5000斤的玉米淀粉量(纯淀粉量在3000斤以上)。


预计在2021~2022年度,我国玉米的种植总面积可达6.4亿亩。如果采用生化合成,最少只需20万亩的占地面积(只铺一层的情况下)即可完成全国玉米的淀粉生产任务。如果把生物反应器铺上10层,所需面积只需要2万亩,极大地节约了土地资源。

  • 第二,减少农药、化肥污染,节能环保。

传统农业要获得高产,化肥和农药必不可少,但这也给环境保护、食品安全带来了隐患。

来自国家统计局的数据显示,我国化肥的年施用量超过5000万吨,农药施用量达200多万吨,对淡水河湖造成了严重污染。大家都知道,我国河湖富营养化趋势日渐加重,安徽巢湖、江苏太湖等深陷“营养病”,蓝藻水华频繁爆发,在这背后化肥的滥用难辞其咎。


巢湖蓝藻爆发

人工合成淀粉比传统的农业生产方式更环保、节能,也更可持续,从根本上解决了抗生素、农药残留等食品安全问题。

  • 第三,加快实现“碳中和”,缓解温室效应,延缓全球气温升高。

2020年9月,我国在第75届联合国大会上宣布将于2030年前实现碳达峰,争取在2060年实现碳中和。为实现这一宏大愿景,一场深刻的系统性社会经济变革在国内相继展开,涉及到产业、能源的方方面面。


以二氧化碳为原料合成淀粉,不仅做到了变废为宝,还为我国早日实现碳中和提供了新的解决方案,具有极为重要的潜在应用价值。

人工合成淀粉是如何实现的?

人工合成淀粉是基于自然界的光合作用提出的,其原理还要从植物的光反应和暗反应说起。

  • 自然界最常见的淀粉合成方式:光合作用

植物的光合作用分为光反应暗反应两部分,前者发生在类囊体薄膜上,后者则发生在叶绿体基质内。在光反应阶段,水在光解作用下生成氧气和还原氢,这里的还原氢为暗反应阶段的碳循环提供了还原动力。


重点是暗反应阶段,该过程又可以进一步分为CO2的固定以及C3的还原2个过程。首先,CO2与C5在酶的催化作用下分解成2分子的C3,实现了CO2的固定。接着,生成的C3在还原氢、ATP和酶的作用下生成葡萄糖、水以及C5。反应生成的C5再次参与碳循环,如此反复,源源不断地生成葡萄糖(葡萄糖经聚合之后即形成淀粉)。

  • 人工合成淀粉:从60多步到11步

首先,CO2在电氢还原作用下生成甲醇,再经过碳缩合反应生成C3,而C3是一个重要中间体,包括DHA(二羟丙酮)、DHAP(磷酸二羟丙酮)。之后再经过三碳缩合反应就可以生成C6,也就是葡萄糖单体,最后经生物聚合就可以生成淀粉。


人工合成淀粉的技术工艺路线大致为:CO2→C1→FADH→DHA→DHAP→GAP→F-6-P→G-6-P→G-1-P→G→淀粉,整个过程涉及11步重要的生化反应。而在自然条件下,光反应和暗反应涉及的化学反应则有60多步,而且效率较低。

无论是自然合成还是人工合成,其产物都是葡萄糖,在聚合方式上会有所差异。葡萄糖分子如果呈直线聚合,则形成直链淀粉,如果交叉排列,则形成支链淀粉


其中,直链淀粉包含的葡萄糖单元为几百个,支链淀粉则达几千个,每个分支上含有20~30个葡萄糖单元。在自然界中,玉米、小麦、水稻等天然淀粉中直链淀粉约占20%~60%,支链淀粉在70%以上,不同的农作物,两种淀粉的比例也有所不同。


据中科院天津工业生物所的所长马延和介绍,人工合成的淀粉主要是直链淀粉。当然,我国科学家也有能力加入分支单元,人工合成支链淀粉,和天然的淀粉并无差别。更让人振奋的是,人工合成的淀粉和天然淀粉的核磁结果也是完全相同的!如果能够实现工业化投产,这将对缓解全球粮食危机产生重要影响。

网友质疑:人工合成淀粉耗电量大吗?

也有人指出,合成淀粉的原料中除了二氧化碳以外还有氢气,而氢气则是电解产生的,这意味着合成淀粉会消耗电能。那么,人工合成和自然作物相比在能源消耗上是否具有优势呢?换句话说,人工合成淀粉是否更“划算”呢?

对于这个问题,我们可以从太阳能的利用效率上进行分析。研究表明,植物的对太阳能的利用效率只有2%,有些植物甚至还低于这一比例。而在人工合成路线中,虽然会消耗电能,但这里所用的电能同样也可以由太阳能转化而来,比如采用太阳能电池板。


太阳能电池分为晶硅电池薄膜电池,电池板所采用的材料不同,太阳能的转化效率也有所不同,效率最低的在20%左右,高效率电池板则达到40%以上。一般而言,单晶硅电池、多晶硅电池、化合物电池、非晶硅电池的效率都在25%左右,明显高于绿色植物对太阳能的转化利用效率。

如果太阳能发电技术能应用在人工合成淀粉的产业项目上,那么能源消耗的问题就迎刃而解了。


事实上,传统农作物在生产过程中也不是完全不耗能的,化肥的工业生产往往要经加压和高温处理,同样也会消耗大量能源。另外,传统种植也离不开农民的管理和机械设备的支持,人力成本高,倘若能实现工业自动化合成淀粉,那么将大大节约劳动成本,提高生产效率。

相比之下,人工合成淀粉比农作物在能源利用方面更有优势,真正可做到节能环保,是提高生产力的重要技术法宝。

合成淀粉贡献这么大,会得诺贝尔化学奖吗?

人工合成淀粉的技术引发了全球轰动,对全球的粮食生产、气候应对都具有重要意义。那么,这一颠覆性的技术成果能获得诺贝尔化学奖吗?这是一个很有意思的问题。

诺贝尔化学奖设立的初衷是为了奖励在化学领域有重要发现或发明的科学家,每年推荐化学奖的候选人多达1000~2000人,再从所有候选人中优中选优,竞争不可谓不激烈。


到目前为止,中国还没有获得过一枚诺贝尔化学奖,上一次呼声最高的科研项目中就是结晶牛胰岛素的合成

时间回到1965年,当时我国30多名科学家经过艰苦攻关,终于合成了结晶牛胰岛素,这是世界上第一个由人工合成的具有生命活性的蛋白质,是生命科学领域的重大突破,具有里程碑式的意义。


当时,著名物理学家杨振宁提出,可以向诺贝尔奖委员会推荐人工胰岛素的研究成果。很遗憾,在1979年的诺贝尔化学奖宣布后,最终得主是美国的布朗以及德国的维提尔,我国的牛胰岛素项目未能获选,这也成了中国科学界的一个世纪遗憾。


时隔56年(指继1965年我国人工合成结晶牛胰岛素后),我国又成功人工合成淀粉,意义同样非同小可。更为重要的是,人工合成淀粉是从零到一的突破,而我国人工合成的牛胰岛素在世界上却并非首例。因此,如果人工合成淀粉的项目再申报诺贝尔化学奖,那么成功摘下这枚奖牌的可能性会很高!

当然了,评价一个科研成果,诺奖也并不是唯一的标准。不管怎样,这一成果足以封神,创下了中国科学发展史上的新高峰!

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