食物中的蛋白质，可能都来自这个过程

五一小长假刚刚结束，小伙伴们有没有享受假期呀，小编不仅享受了美景，更是好好享受了当地的美食，开心的炫了好多肉肉。

然而快乐总是短暂的，回来后面对升高的体重小编也是欲哭无泪。说好的只吃优质蛋白就不会长肉肉呢？

优质蛋白！开炫 | 图片来源：网络

我们知道，鸡肉牛肉鱼肉和牛奶鸡蛋等都是优质蛋白来源，那么有没有人想过，蛋白质是如何产生的呢？

蛋白质的产生

我们日常食用的蛋白质来源主要有以豆浆豆皮各种大豆制品为代表的植物蛋白，和肉蛋奶为代表的动物蛋白。但归根到底，动物蛋白也是来源于植物蛋白。蛋白质主要由氨基酸排列组合而成，氨基酸是蛋白质的最小构成单元。而氨基酸相比于其他有机物最显著的一个特点就是含有一个氨基（NH³⁻）。也就是说，除了常见的碳氢氧元素之外，氨基酸还需要氮元素的参与，而且需求量还很大。

常见的富含蛋白质的食物 | 图片来源：网络

氮元素广泛存在于我们周围的环境中，尤其是在大气中，氮气（N₂）占据了大约80%的体积。尽管氮气如此丰富，但它以两个氮原子通过氮氮三键结合的形式存在，这种结构非常稳定，导致氮气在自然条件下通常表现为化学惰性，不易与其他物质发生化学反应。因此，植物无法直接利用这种状态的氮气。相反，植物能够吸收利用的是氮的化合物形式，如硝酸盐（NO³⁻）或氨（NH₃），这些形式的氮被称为“固定态氮”。将氮气转化为植物可吸收的化合物状态的过程，通常被称为“氮的固定”。氮元素从氮气到固定氮也是整个氮循环中不可缺少的一部分。

氮元素的循环 | 图片来源：搜狐

氮的固定

自然界的氮固定过程主要由特定细菌来完成，这些细菌有的自由生活在土壤中，有的则与某些植物形成了共生关系，尤其是豆科植物如豌豆和根瘤菌。此外还存在一种天然的氮固定方式，即闪电。闪电的瞬间能量释放能够破坏氮气分子中的氮氮三键，转化为可利用的硝基氮。但这种方式产生的硝基氮总量太少，远不如细菌的固定量。还有一些细菌等微生物可以利用尿素及动植物的腐殖质进行氨化作用和硝化作用，将腐殖质中的氨基酸等含氮有机物转化为硝酸盐，然后释放到土壤中。

豆科植物的根瘤菌 | 图片来源：网络

氮的供应状况对植物的生长和农业生产具有显著影响。土壤中固定态氮的含量越高，作物生长得越旺盛。例如举世闻名的黑土地，其土壤肥力好的原因便是其表层有一层厚厚的腐殖质，可以为农作物生长提供充足的氮元素。然而，长期耕作同一块土地会导致土壤中的固定氮迅速减少，进而导致土壤肥力下降。在工业革命之前，农民虽没有现代化学或生物学知识，但他们已经意识到土壤肥力会随时间流失，并掌握了一些恢复土壤肥力的方法。一种方法是使用含有固定氮的天然肥料，如动物粪便或者硝石等天然氮肥，施入田地。另一种方法是通过作物轮作，比如种植之前提到的可以固氮的豆科植物如豌豆等，利用其根部的固氮细菌来补充土壤中的氮含量。

一种轮作的方式 | 图片来源：网络

工业制氨——哈伯-博世法

然而到了到19世纪末，随着人口的不断飙升，仅仅通过天然氮肥或者轮作的方式逐渐满足不了大量人口的需求，人们迫切的需要一种工业化大量合成低价氮肥的方法。这时德国科学家弗里茨·哈伯出场了，他发现了提高反应体系压力可以降低所需温度的现象，从而在高压条件下实现了可观的氨产量。他通过使用合适的催化剂进一步增加了产量，尽管如此，合成氨的成本依然很高。随后，卡尔·博世，一位德国巴斯夫公司的化学工程师，带领团队克服了将哈伯方法商业化的挑战。他们面临的主要难题是实现在约200个大气压和大约1000℃的极端条件下的工业生产，这在当时是前所未有的。博世的团队必须创新设计全新的设备和流程，这件事实质上开辟了高压工业化学的新领域。

弗利茨·哈勃（左）和卡尔·博世（右） | 图片来源：百度百科

在初期，巴斯夫公司最大的挑战是其反应炉频繁发生爆炸，这不仅因为极端的压力条件，也因为氢气分子在高温高压下能够渗透并破坏反应炉的铁壁。他们需要找到一种既坚固又经济的材料来作为反应容器。最终，博世设计了一个创新的复合材料系统，将反应炉分为可更换的“内衬”和“外壁”，从而解决了这一难题。另一个挑战，则是催化剂的选取：哈伯最初选用一种极其稀有的金属，锇，作为催化剂。然而巴斯夫公司买下了全世界的锇供应量，仍然不能满足需求。无奈之下博世团队只能另辟蹊径，在试验了数千种的材料后，最终确定了一种由铁基和其他元素组成的催化剂。现在常用的催化剂为“K₂O, CaO, SiO₂, Al₂O₃与铁的复合催化剂”[1]。

哈伯-博世法合成氨工艺流程图 | 图片来源：The Alchemy of Air[1]

这就是哈伯-博世法：利用氮气和氢气制备氨的过程。其中的氮气来自于空气，氢气主要从天然气中获得，这一过程也极大地促进了现代农业的发展。然而合成的氨不仅是化肥的重要原料，同也是炸药等多种重要化学品的前体[2]。廉价的合成氨也刺激了以炸药为主的军工技术的发展，直接影响了两次世界大战的惨烈程度。哈伯本人在一战中直接参与了毒气战，而博世的化学工厂更是在两次世界大战中直接为纳粹军队提供了大量的炸药。

整体而言，合成氨确实是一项对现代世界具有深远影响的工业产品，哈伯-博世法作为其生产过程，对全球社会的发展起到了关键作用。哈伯本人也因此获得了1918年的诺贝尔化学奖。博世本人也在1931年因合成汽油合成甲烷的贡献获诺贝尔化学奖。另外，2007年的化学诺奖给了德国的格哈德·埃特尔，他搞清楚了哈伯-博世工艺中氢原子、氮原子是怎么在金属表面反应的。也就是说，哈伯-博世法直接促进了三名诺贝尔奖的产生，放眼整个科学界也是凤毛麟角一般的存在。

哈伯-博世法合成出的氨对全球人口数目的影响，其中黑色虚线代表被哈伯-博世法合成氨直接喂养的人口 | 图片来源：DOI：10.1038/ngeo325[3]

据估计，全球约1%的能源消耗被用于合成氨的过程，这反映了其在工业生产中的重要地位。另外，《空气的炼金术》的作者哈格估计，我们体内约一半的氮原子可能来源于通过哈伯-博世法合成的氨，这体现了该过程对全球粮食生产和营养循环的贡献。

现在大家了解了工业制氨的流程，赶快发挥动手能力，手搓一台属于自己的合成氨反应炉吧^_^

参考文献

[1] [1]. The Alchemy of Air: A Jewish Genius, a Doomed Tycoon, and the Scientific Discovery That Fed the World but Fueled the Rise of Hitler Paperback – August 18, 2009

[2]将空气变成面包——人工合成氨的故事

[3]. Erisman, J., Sutton, M., Galloway, J. et al. How a century of ammonia synthesis changed the world. Nature Geosci 1, 636–639 (2008).

作者：黄敬之 | 中国科学院大学

转载自：中科院物理所