从二氧化碳制造热量
中国研究人员大幅加快了一项将工业废气转化为可食用淀粉的工艺，其生产效率达到2021年突破性方法的十倍。据中国科学院（CAS）介绍，这一进展让世界离不依赖农田、作物或传统农业的工业规模淀粉生产更近一步。天津工业生物技术研究所（TIB）的科学家改进了无细胞酶系统，将二氧化碳转化为复杂碳水化合物的速度如今远超天然光合作用。这项进展可能给全球粮食安全带来范式转变，为生产必需食品成分和工业原料开辟道路，同时避开传统农业的环境代价。
由蔡涛教授带领的研究团队过去五年来一直在优化这一化学—生化混合途径，该途径首次发表于Science。他们在2021年取得的突破表明，淀粉合成速度是玉米植株的8.5倍。最新改进又使产量提升了十倍，使这一系统的效率达到此前仅停留在理论设想中的水平。这种人工淀粉合成代谢途径（ASAP）如今有望挑战主导人类文明数千年的农业现状。
合成光合作用的化学原理
这一工艺模仿自然过程，但消除了植物生长固有的生物学低效环节。实验室方法无需等待数月让玉米成熟，只需数小时便可完成转化。该途径由十一个核心反应构成，通过精心编排的化学和酶促步骤，将气态二氧化碳转化为聚合淀粉。
首先，无机催化剂在受控条件下将二氧化碳还原为甲醇。随后，这种简单分子成为一系列酶促反应的基础原料。研究团队从31个不同物种中筛选并改造酶，评估了62种候选酶，最终确定了效果最佳的十种催化剂。这些生物机器将甲醇转化为三碳和六碳糖单元，再将其聚合成直链淀粉或支链淀粉，即天然淀粉的两种主要成分。
所得合成淀粉在化学和物理性质上均与农业生产的淀粉相同。实验室分析证实，两者的成分和特性一致，这意味着人造淀粉可直接替代食品、药品、造纸、纺织、黏合剂和可生物降解塑料中的玉米淀粉。该方法还可定制淀粉成分，有望生产出消化速度或功能特性各异、适用于不同工业需求的品种。
从实验室走向工厂
将实验室成果转化为商业可行方案面临的挑战，甚至超过科学突破本身。蔡涛教授在接受《中国科学报》采访时谈到了扩大生产规模的难题，并解释说，从概念验证走向工业应用必须克服巨大的经济障碍。
从零到一很难，降低成本很难，最终实现工业化应用更难。尽管如此，我们仍要迎难而上。
首要障碍是酶的成本。在2021年的原始系统中，一种关键酶占全部材料费用的一半。团队集中精力攻克这一瓶颈，利用人工智能筛选稳定性和效率更高的酶变体，同时开发生物催化剂的重复利用方法。这些改进大幅减少了所需酶的用量，同时保持了反应效率。
研究人员还优化了反应条件，以大幅降低能耗。该工艺在受控的实验室条件下运行，产量可预测，不受天气、季节或气候变化影响。这与农业生产形成鲜明对比，干旱、洪水和虫害都可能严重损害年度产量。
重塑农业经济学
潜在的资源节约不只体现在效率指标上。据TIB团队测算，一个占地一立方米的生物反应器，理论上可生产相当于约三分之一公顷玉米田年产量的淀粉。如果生产成本能降至与传统农业具有竞争力的水平，这项技术有望免去目前用于淀粉生产的九成以上耕地和淡水资源。
土地利用格局的这一转变将深刻影响全球农业。目前，工业淀粉生产几乎完全依赖玉米，而玉米种植需要大片可耕地、大量灌溉以及大量施用化肥和农药。随着全球人口增长、气候变化威胁农作物产量，粮食作物与工业原料作物对有限耕地的竞争日益加剧。
TIB创所所长马延和在2021年的一份声明中阐述了这项研究的愿景，这一愿景如今仍有现实意义。他指出，产业化既是项目最初的理想，也是最终目标，并强调尽管研发过程中遇到困难，团队仍不会放弃努力。
考虑到碳循环，这项技术的环境效益还会进一步扩大。该工艺不是将二氧化碳排入大气，而是把它作为原料消耗。若使用可再生电力供能，该系统有望实现负碳淀粉生产，在制造高价值商品的同时主动从大气中移除温室气体。该团队于2023年在Science Bulletin发表的一项研究显示，其系统的能效可提高3.5倍，合成速度则比天然植物系统快23倍。
替代性生物途径
酶法备受关注之际，平行研究也展示了其他将二氧化碳转化为淀粉的可行途径。科学家开发出一种替代方法，利用经过改造的酵母，具体来说是产油酵母菌株Yarrowia lipolytica，生产他们称为“富淀粉微粒”的产品。
这种生物学方法重塑酵母代谢，使淀粉积累量达到细胞干重的47%。研究人员通过重构淀粉生物合成和糖异生途径，并改变细胞形态以增大细胞体积，使单位空间、单位时间的生产率约为传统作物种植的50倍。该酵母方法使用乙酸作为原料，而乙酸可利用可再生电力通过电合成由二氧化碳制得，由此形成另一条生产负碳食品的途径。
经过改造的酵母还可在乙酸配合下利用秸秆等农业废弃物，为将纤维素转化为可食用淀粉提供了路径。这一能力有助于应对另一项农业挑战：作物残余物利用不足。酶法和微生物法的实现方式虽有不同，但两者的共同目标都是让食品生产摆脱对传统农业的依赖。
国家背景与全球影响
中国对合成淀粉技术的投入，反映出国内面临的迫切压力。中国必须依靠有限的人均耕地和水资源养活全球人口最多的国家。化肥生产、农机燃料消耗、水稻种植释放甲烷以及高能耗灌溉系统，都使农业活动成为中国碳排放的重要来源。
2005年至2021年的最新数据显示，中国推行了双层级农业管理，将规模较大的农田经营与共享专业服务相结合，在维持产出的同时降低碳排放强度。然而，随着气候变化加剧、耕地面临退化，这些改进可能仍不够。合成淀粉可作为补充策略，在满足工业碳水化合物需求的同时，释放数百万公顷土地用于生态修复或粮食作物种植。
这项技术也符合中国更广泛的能源转型方向。随着中国扩大可再生电力发电规模、减少电力行业排放，清洁能源供应将使碳捕集与利用技术越来越具可行性。二氧化碳制淀粉工艺需要投入能源，尤其是最初将二氧化碳转化为甲醇，以及通过水电解制氢所需的能源。若由太阳能或风能供电，该系统实际上可将电能储存在化学键中，形成一种以食品为基础的储能形式。
要点
- 天津工业生物技术研究所的中国科学家将二氧化碳转化为淀粉的生产效率提升至2021年突破性方法的十倍。
- 这一人工工艺通过十一个酶促步骤将二氧化碳转化为与农业产品相同的淀粉，速度目前约为玉米天然合成淀粉的85倍。
- 一个一立方米的生物反应器理论上可达到三分之一公顷玉米田的年淀粉产量，有望节省传统淀粉生产所用九成以上的土地和水资源。
- 研究团队正利用人工智能优化酶并降低成本，以解决商业化工业应用的主要障碍。
- 平行研究利用经过改造的酵母探索替代性生物途径，其单位空间生产率是作物种植的50倍，并使用电合成乙酸作为原料。
- 这项技术有望减少农业碳排放，消除粮食作物与工业作物对耕地的竞争，并在使用可再生能源供电时实现负碳制造。
