人造淀粉是科幻小說中的常客，1978年出版的科幻作品《小靈通漫游未來》曾對未來世界的人造淀粉車間展開暢想，在小說中，人們以二氧化碳和水作為原料，在陽光和人造葉綠素的作用下直接生產(chǎn)人造淀粉，并經(jīng)過機(jī)器加工使之成為珍珠般的大米。2021年9月24日，國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊發(fā)了中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成方面取得的重大突破性進(jìn)展，該研究在國際上首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

文/黃詩愉 王國強(qiáng)

黃詩愉，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院助理研究員。

王國強(qiáng)，中國科協(xié)創(chuàng)新戰(zhàn)略研究院研究員。

淀粉家族大揭秘

淀粉是一種由葡萄糖單體聚合而成的多糖類物質(zhì)，由碳、氫、氧三種元素構(gòu)成，其分子式為（C6H10O5）n，其中n為聚合度，根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)不同可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩大類。從微觀看，直鏈淀粉是由葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接而成的，其微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)螺旋鏈狀；支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，包括主鏈和支鏈兩部分，其中主鏈?zhǔn)怯善咸烟峭ㄟ^α-1,4-糖苷鍵連接而成，在主鏈上還存在由α-1,6-糖苷鍵連接形成的支鏈，微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)分支鏈狀。從宏觀看，淀粉是一種白色粉末狀物質(zhì)。直鏈淀粉遇碘呈現(xiàn)藍(lán)色，支鏈淀粉遇碘呈現(xiàn)紫紅色。

天然淀粉的主要來源包括谷物、薯類和豆類，通常是直鏈淀粉與支鏈淀粉的混合物，但因來源不同，二者的比例存在顯著差異。因為支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)使淀粉分子間鏈接更加緊密，烹飪時支鏈淀粉含量高的食物更容易形成黏性的糊狀物，所以一般直鏈淀粉含量高的食物（如鷹嘴豆、秈米）口感更硬，支鏈淀粉含量高的食物（如糯米）口感更糯。由于支鏈淀粉比直鏈淀粉具有更多的分支結(jié)構(gòu)，提供了更多的酶作用位點，食用支鏈淀粉含量高的食物，血糖上升得快。

探秘淀粉的“跨界本領(lǐng)”

淀粉可不只是“能量小倉庫”，它還是個“多面手”，在食品、化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域都有“工作證”。

一是作為食品行業(yè)的原料。水稻、小麥、玉米等主糧富含淀粉，這種淀粉是植物光合作用的產(chǎn)物，儲存著豐富的能量。這些富含淀粉的主糧可為人類提供生理活動所需的能量。此外，淀粉由于其獨特的理化性質(zhì)，在食品加工中可作為增稠劑（醬料）、凝膠劑（果凍）、膨松劑（蛋糕）、保鮮劑（可食用薄膜）等。

二是作為化工行業(yè)的化學(xué)制劑。在造紙業(yè)中，淀粉可作為施膠劑，在紙張表面形成均勻的薄膜，填充紙張纖維的空隙，提升紙張的抗水性和表面強(qiáng)度。在紡織業(yè)中，淀粉可作為上漿劑，在紗線紡織前，使淀粉附著在紗線上，可形成保護(hù)膜，提升纖維強(qiáng)度和光滑度。此外，由于淀粉具有良好的生物可降解性，也常被用來制作環(huán)?？山到獠牧?，減少傳統(tǒng)塑料制品對環(huán)境的危害。

三是作為醫(yī)藥行業(yè)的輔助成分。在片劑生產(chǎn)中，淀粉作為填充劑可使藥粉更易壓制成片。淀粉還能改善某些刺激性藥物的口感，使其更易被患者，特別是兒童患者所接受。淀粉的吸水膨脹性質(zhì)也使其常作為藥品的崩解劑，當(dāng)藥品進(jìn)入胃腸道后，淀粉吸收水分膨脹使藥品崩解，釋放藥品有效成分，促進(jìn)藥物的吸收。

用二氧化碳合成淀粉

目前，人們獲取的淀粉都是植物“辛辛苦苦”造出來的，可植物造淀粉的過程存在許多局限性，如效率低下、污染環(huán)境、占地面積廣等。因此，人們一直試圖在獲取淀粉上另辟蹊徑。2015年，中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所科研團(tuán)隊構(gòu)建了C1、C3、C6、Cn四大模塊，只用11步就實現(xiàn)了二氧化碳合成淀粉，合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。研究人員估算，按照目前的技術(shù)參數(shù)，在能量供給充足的條件下，1立方米的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝（1畝約為666.67平方米）土地玉米的淀粉平均年產(chǎn)量。

在用二氧化碳合成淀粉后，2025年4月，科研團(tuán)隊還開發(fā)出了一條以乙酸為原料的低碳酵母細(xì)胞淀粉合成路徑，淀粉含量達(dá)到細(xì)胞干重的47.18%，淀粉時空生產(chǎn)效率約為農(nóng)作物種植的50倍，體積生產(chǎn)效率則較其他微生物系統(tǒng)提升一個數(shù)量級。

人造淀粉的廣闊前景

除生產(chǎn)效率高、有利于糧食安全、助力環(huán)境保護(hù)、占地面積小等優(yōu)點外，人造淀粉還能實現(xiàn)定制化生產(chǎn)。天然淀粉的結(jié)構(gòu)和性能受植物品種限制，要滿足不同工業(yè)需求，往往需要復(fù)雜的后續(xù)加工。人造淀粉的最大優(yōu)勢就是可以按需定制，通過調(diào)整反應(yīng)中的酶種類、反應(yīng)條件，就能合成出不同結(jié)構(gòu)、不同性能的淀粉。

在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，淀粉常被用作藥物載體（如膠囊外殼、緩釋劑），但天然淀粉的純度和粒徑難以控制，影響藥物釋放效果。人造淀粉可通過控制反應(yīng)時間和酶濃度，合成出“單分散性淀粉?！保骄弧⒓兌?9%以上），這種淀粉作為藥物載體，能精準(zhǔn)控制藥物的釋放速率，提高藥效、減少不良反應(yīng)。

在食品工業(yè)中，淀粉常用于增稠、穩(wěn)定、改善口感，但天然淀粉可能含有蛋白質(zhì)、脂肪等雜質(zhì)，需要額外提純。人造淀粉則可以實現(xiàn)“高純度合成”，不含任何雜質(zhì)，且可以根據(jù)需求調(diào)整直鏈/支鏈比例。例如：合成高直鏈淀粉，用于制作低血糖生成指數(shù)食品，適合糖尿病患者食用；合成“低分支淀粉”，用于制作口感更細(xì)膩的冰激凌、酸奶。

人造淀粉何時能走進(jìn)千家萬戶

當(dāng)前，制約人造淀粉走出實驗室的主要障礙有3個。一是成本。人造淀粉生產(chǎn)需要多種酶，這些酶的制備成本目前很高，且很多酶在反應(yīng)后會失活，無法重復(fù)使用。此外，人造淀粉需要的高濃度二氧化碳捕捉成本也較高，未來還需要進(jìn)一步降低二氧化碳捕捉成本。二是從實驗室生產(chǎn)到規(guī)?；a(chǎn)存在阻礙。實驗室的小體積反應(yīng)很容易控制溫度、壓力、底物濃度，但放大到大型工業(yè)反應(yīng)器時，會出現(xiàn)傳質(zhì)不均、散熱困難等問題，導(dǎo)致反應(yīng)效率大幅下降，甚至阻礙反應(yīng)發(fā)生。三是公眾非理性認(rèn)知。人們對人造的食物往往存在天然的恐懼心理，此前被傳得沸沸揚(yáng)揚(yáng)的轉(zhuǎn)基因食品的安全性就是一個例子。雖然人造淀粉在化學(xué)結(jié)構(gòu)上與天然淀粉完全相同，但是要使人們克服對人造淀粉的非理性恐懼還有很長的路要走。

不過，正如唐詩《烏衣巷》中的名句所言“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”，隨著科技的進(jìn)步和社會認(rèn)知的改善，相信在不久的將來，人造淀粉這個“王謝堂前燕”，也會像化肥、雜交水稻一樣，“飛入尋常百姓家”，為人類文明的進(jìn)步貢獻(xiàn)力量。

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