探索丨我國的二氧化碳制糖技術

糖是人類生活不可或缺的重要物質，同時也是工業(yè)制造的核心原料。其主要的來源仍然是植物類生物質資源，這一現(xiàn)狀是種出的結果，源于人類長期的探索和依賴。然而，傳統(tǒng)依賴“二氧化碳-生物質資源-糖”的生產(chǎn)流程受到植物光合作用效率的制約，面臨著原料供應的種種挑戰(zhàn)。化學制糖的方法雖存在，但因其較低的轉化效率和人們對化學制品的疑慮，使得這一方法未能廣泛應用。正是因此，科學家們渴望著利用生物方法制造出糖，即非糖類生物質資源的利用。這看似與二氧化碳這一溫室氣體、環(huán)境污染的源頭格格不入，但在我國科研人員的智慧與創(chuàng)新下，二者竟能巧妙結合，為糖的生產(chǎn)帶來了新的曙光。通過科研人員的努力，二氧化碳在糖的制造過程中發(fā)揮了重要作用，這不僅是對傳統(tǒng)制糖方式的革新，更是對環(huán)境保護和資源利用的新探索。

▏****科技背后的綠色魔法二氧化碳制糖技術，并非直接將二氧化碳轉化為糖類物質，而是科研人員通過創(chuàng)新技術，實現(xiàn)了從二氧化碳出發(fā)，精準合成糖的突破。這項技術基于碳素縮合、異構以及脫磷等酶促反應，構建了化學-酶耦聯(lián)的非天然轉化途徑。通過對酶蛋白分子的工程化設計改造，催化特性得以精準控制，從而實現(xiàn)了對不同結構與功能的己糖的合成。此項技術的碳轉化率不僅超越了傳統(tǒng)的植物光合作用，同時也優(yōu)于已報道的化學法制糖以及電化學-生物學耦聯(lián)的人工制糖方法，達到了當前人工制糖路線中的最高水平。同時，此技術建立了可擴展的生物系統(tǒng)，能夠進一步拓展糖產(chǎn)物的種類和構型，為人工創(chuàng)造糖分子多樣性提供了可能。這一研究顛覆了以往依賴糖生物質資源轉化制備復雜糖分子的模式，開啟了一種靈活、可拓展的糖制造新模式。該技術能夠獲取自然界中稀有的功能糖分子，從而拓寬其應用范圍。所合成的糖類可作為食品、醫(yī)藥等領域的原料，同時也可作為工業(yè)生物制造的關鍵原材料，用于合成其他化學品，滿足人類的各種物質需求，為負碳物質的合成提供重要原料。這一成果在競爭性研究領域取得了真正的突破，為綠色化學的發(fā)展打開了一扇新的大門，展現(xiàn)出了其靈活性、多功能性和高效性。

▏****延伸二氧化碳合成淀粉之路在《科學》國際學術期刊上，我國科研人員首次宣布成功實現(xiàn)了二氧化碳直接人工合成淀粉的突破性進展，這一過程不再依賴植物光合作用。這一里程碑式的成就引發(fā)了人們對于二氧化碳人工合成其他化合物的思考。除了淀粉，科學家們開始探索合成與淀粉同為碳水化合物的糖類物質。糖是人類生命活動和日常生活中不可或缺的重要物質，也是現(xiàn)代工業(yè)生物制造的關鍵原料。傳統(tǒng)上，人們通過物理、化學和生物手段，經(jīng)過復雜的制糖過程，獲取葡萄糖、果糖等單糖。然而，傳統(tǒng)的制糖方法正面臨著挑戰(zhàn)。隨著人口增長，對糖的需求量日益增加，而以甘蔗等作物為原料的制糖方式受限于植物光合作用的能量轉換效率，可能無法滿足未來的需求。此外，作物中糖的成分相對固定，難以獲取一些稀有或天然不存在的單糖。因此，眾多科學家開始將目光投向人工合成糖類物質的研究。在二氧化碳合成糖項目被批準立項后，這一研究得到了大批科研人員的積極響應。他們充滿干勁地投入到這個新項目中，期待能夠開拓出功能糖類物質的新領域，為人類的生活和工業(yè)制造帶來新的可能性。從此，功能糖團隊踏上了新的征程。

**▏****尋找最佳“候選者”**盡管二氧化碳合成淀粉取得了成功，但對于能否由二氧化碳進一步合成糖類物質，我國科研人員尚持謹慎態(tài)度。這一議題在國內(nèi)外引發(fā)了眾多研究團隊的關注，雖然已有多項相關研究開展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。特別地，由二氧化碳合成的糖類往往是復合型糖，即多種糖類混合物，這在未來的應用中帶來了一定的障礙。部分研究團隊能夠合成某些單一類型的糖類，但其合成效率尚處于較低水平?？蒲腥藛T認為，人工合成糖與人工合成淀粉的原理類似，均為合成碳水化合物的過程。這通常借助化學和酶耦合的方法來實現(xiàn)?；诖耍蒲腥藛T迅速明確了從二氧化碳到糖的合成路徑。在研究的初期階段，他們?nèi)〉昧艘恍┏醪竭M展，但在尋找合適的催化劑時遇到了難題。他們嘗試從自然界中尋找天然的生物酶作為催化劑的候選者。然而，探索的道路上布滿了坎坷與挑戰(zhàn)。在每次實驗中，無論哪一種催化劑的嘗試，都承載著我國科研團隊的期望。盡管偶爾在實驗過程中糖分子似乎“閃現(xiàn)”，但由于其轉化率過低，仍未能帶來實質性的突破。然而，面對困境，功能糖研究團隊并未氣餒，他們決心通過工程化設計對天然催化劑進行改造。為了將二氧化碳轉化為葡萄糖，不僅需要化學催化劑的協(xié)助，還涉及七個酶元件的共同作用。團隊成員進行了廣泛篩選，從數(shù)百種酶元件中選出了最終需要的一百多個候選者。經(jīng)過數(shù)千次組合適配測試后，他們確定了那“最棒的七個”。他們每天對實驗結果進行深入討論，尋找突破點并不斷改進實驗方案。經(jīng)過一年半的努力和百余次的嘗試后，他們終于在上千個催化劑與組合中找到了最佳候選者。利用這些催化劑，二氧化碳合成糖的效率大幅提高，每升每小時能夠合成0.67克糖類物質，較之前已知的技術路線提升了十倍以上。同時，其碳固定合成效率也達到了業(yè)界領先的每毫克催化劑每分鐘59.8納摩爾碳的水平。盡管已經(jīng)取得了顯著的成果，但功能糖團隊并未停下腳步。他們不僅成功實現(xiàn)了從二氧化碳到糖的精準全合成過程，還構建了人工生物系統(tǒng)。這一系統(tǒng)初步探索出了一種靈活、可擴展的糖制造模式。這種模式所合成的糖類物質可以作為食品、醫(yī)藥等領域的原料。此外，合成的葡萄糖等還可以作為工業(yè)生物制造的關鍵原材料，用于合成其他化學品，為負碳物質的合成提供原料支持。目前，功能糖團隊正在持續(xù)優(yōu)化這一模式，以期早日將這一成果推向產(chǎn)業(yè)化應用。他們深知科技改變世界的力量，期待著他們的努力能為人類社會的可持續(xù)發(fā)展貢獻更多力量。在未來的日子里，他們將繼續(xù)以創(chuàng)新為動力，探索更多可能性的同時不斷追求卓越和突破。

▏二氧化碳合成糖有哪些****實際應用一、食品領域- 提供健康糖源：可精準合成阿洛酮糖、塔格糖等稀少糖，其甜度與蔗糖相近，但熱量低、升糖指數(shù)低，作為天然甜味劑，能滿足消費者對健康飲食的需求，開發(fā)出更多低糖、低熱量的食品。- 保障食品供應：不受自然條件限制，穩(wěn)定供應糖原料，降低因自然災害、土地資源短缺等造成的食品生產(chǎn)風險，確保食品行業(yè)穩(wěn)定發(fā)展。二、醫(yī)藥領域- 創(chuàng)新藥物研發(fā)：為新型藥物研發(fā)提供特殊結構糖分子，如合成具有特定生理活性的寡糖、糖苷或糖醇等，用于開發(fā)治療糖尿病、心血管疾病等的藥物，提高藥物療效和安全性。- 生產(chǎn)藥用輔料：按需合成高質量藥用糖類輔料，如可精準控制純度和結構的葡萄糖、乳糖等，保證藥物穩(wěn)定性、溶解性和生物利用度，推動醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。三、生物制造領域- 拓展生物基產(chǎn)品種類：作為關鍵原料，通過發(fā)酵和生物合成，合成氨基酸、有機酸、生物燃料、生物塑料等多種生物基產(chǎn)品，減少對傳統(tǒng)化石資源的依賴，推動生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。- 提升生物制造效率：相比傳統(tǒng)植物提取糖的方式，合成糖的生產(chǎn)過程更易控制和優(yōu)化，可提高生物制造過程中糖原料的轉化效率和產(chǎn)品得率，降低生產(chǎn)成本，增強生物制造產(chǎn)業(yè)競爭力。四、環(huán)境保護與可持續(xù)發(fā)展- 助力碳減排：大規(guī)模應用后，可大量消耗二氧化碳，將其轉化為有價值的糖產(chǎn)品，減少溫室氣體排放，助力實現(xiàn)“雙碳”目標，緩解全球氣候變化問題。- 節(jié)約自然資源：降低制糖對土地、水等自然資源的依賴，實現(xiàn)資源的高效利用，保護生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，為解決全球糧食安全問題提供新思路。

▏****未來的路盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，但我對二氧化碳制糖技術的未來充滿信心。隨著技術的不斷成熟和成本的逐步降低，它有望成為解決全球食品安全、減少碳排放、促進循環(huán)經(jīng)濟的重要途徑之一。想象一下，未來有一天，我們不僅能享受到由二氧化碳轉化而來的健康、環(huán)保的糖，還能在日常生活中，通過選擇這樣的產(chǎn)品，為地球的可持續(xù)發(fā)展貢獻一份力量，那該是多么美好的事情！更重要的是，二氧化碳制糖技術的成功實踐，將激勵更多人去探索和創(chuàng)新，尋找更多將廢棄物轉化為資源的可能性。這不僅是一場科技的革命，更是一次人類思維方式的轉變，讓我們學會以更加開放和包容的心態(tài)，去面對這個充滿無限可能的世界。（圖片源自網(wǎng)絡）
作者 | 幾維鳥畢業(yè)于新西蘭林肯大學。對大眾科普知識擁有濃厚興趣，曾在多個科普期刊上發(fā)表過科普文章。關注事實，積極探索前沿科技。

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