【科学故事会】二氧化碳如何“变身”成糖？

一提到糖，大家不自觉地产生愉悦的感觉。可以说糖和我们生活息息相关，日常食用的很多食物中都有糖的影子，比如：蜂蜜、玉米、可乐，等等。但你们知道吗？糖是国家战略物资，而我们国家每年糖的进口总量达到300~500万吨。为了保障糖供应，我们要试着学习新技术，采用新工艺。

为什么要人工合成糖？

我们吃的淀粉和糖，都得靠种植植物来获取。植物通过光合作用，把二氧化碳和太阳的能量变成淀粉和糖存起来，我们再加工一下就能吃了。但问题是，植物们进化了这么多年，已经习惯了自然环境，在把能量变成淀粉和糖这方面，效率不是特别高，同时它们对二氧化碳的浓度还特别挑。

你们知道吗？用光合作用做淀粉，理论上太阳能变成淀粉的效率是2%，但实际上呢，只有0.67%，相差很远。而且，它还不能直接用高浓度的二氧化碳，这就让做淀粉的速度慢下来了。所以，咱们得种很多的玉米、甘蔗，才能满足大家的需要。这就是所谓的“效率不够，数量来凑”。

可现在的环境，说变就变，干旱、暴雨、虫子这些不可控因素，都影响收成。而且，随着全球人口激增以及全球气候变暖等问题，都要求开发可替代种植的合成路线，在未来保障淀粉和糖供应安全。

△ 人工合成糖样品

人工合成糖是怎么做的？

在前期，我们集合了研究所内外的优势团队进行攻关。经历了上万次的探索，我们最终开发出了化学催化和生物催化一体技术，能够成功转化二氧化碳合成淀粉！

具体怎么做呢？首先，通过电解水制备氢气，然后让氢气和二氧化碳在化学催化剂的帮助下变成甲醇。接下来，甲醇通过人工搭建的生物转化系统，实现合成淀粉和糖。人工淀粉研究成果发表之后，我们又进一步聚焦到糖这一类重要食品原料上，又是两年埋头苦干，最终实现人工合成糖分子，并能够精准控制糖产物构型。并且除了合成淀粉和己糖，我们还实现了合成特种淀粉、蔗糖等产物。

简单来说，我们这套人工合成大法，就靠这么几样宝贝：太阳能或风能、二氧化碳、水、催化剂，还有发酵罐。

人工合成糖还有哪些？

这项成果发表后，立马引起了广泛关注和积极评价。

往小了说，跟传统种植庄稼相比，人工合成糖不需要大片土地，阳光也直接换成了电能，步骤少了，效率高了。往大了说，这项技术能帮我们国家减轻土地负担，让土地更多地用来种粮食，有效地保障粮食安全；另一方面，通过二氧化碳捕集转化，变废为宝，我国离实现2030年二氧化碳排放达到峰值、2060年碳中和的目标又近了一步；最后，未来太空探测甚至火星移民中，如何保障食物供应？我们的技术有可能提供一种解决方案。

当然，目前人工转化二氧化碳合成淀粉和糖技术还不是很成熟，但是这并不妨碍我们继续前进，因为我们知道这件事是必须做的，也是我们这一代年轻人应该做的。

文/杨建刚（中国科学院天津工业生物技术研究所）

来源/《科学故事会》2024年12月刊

排版：沈　丹

编辑：林雪琪

审定：李红林