面對空氣中的二氧化碳，實驗室裏又會有怎樣的奇思妙想呢？在中國科學家手中，二氧化碳被人工精準合成了人體不可或缺的糖，實現了華麗轉身。
別小覷了這顆糖，它關聯着“國之大者”。一方面，人工高效、精準制糖，可爲食品、醫藥、工業制造等領域提供更加健康、多元的原材料，助力健康中國和“雙碳”戰略；另一方面，打破“二氧化碳—生物質資源—糖”的傳統加工模式，可降低來自農業生產方面的不確定性風險，有益於保障國家糧食安全。
爲綠色化學打開一扇門
兩年前，中國科學院天津工業生物技術研究所實現了從二氧化碳到澱粉的實驗室人工合成，蜚聲海內外。兩年後，站在合成澱粉成果的“肩膀”上，該研究所與中國科學院大連化學物理研究所科研團隊合作，實現了又一次創新飛躍。
走進中國科學院天津工業生物技術研究所辦公大樓，映入眼簾的是密密麻麻一整面專利牆。“這次我們的研究實現了糖分子精準從頭合成，使糖分子立體結構可控。”在實驗室內，身穿白大褂的副研究員、論文第一作者楊建剛說。這項在實驗室裏結出的碩果，爲跳出自然束縛、利用二氧化碳創造多樣的糖提供了可能。
楊建剛表示，該過程的碳轉化率高於傳統植物光合作用，比已知的化學法制糖以及電化學-生物學耦合的人工制糖方法有更高的效率。與通過種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統方式相比，糖的獲取時長實現了從“年”到“小時”的跨越。
8月13日，在中國科學院天津工業生物技術研究所實驗室，副研究員楊建剛正在做人工合成己糖實驗金立旺攝
除了高效，研究成果的另一大突出特性是精準。換言之，想合成什麼樣的糖，在實驗環節就能人爲控制。“這是人工碳水合成領域的又一重要成果。”中國科學院天津工業生物技術研究所所長馬延和認爲，這項研究是應對復雜糖結構、實現人工精準可控合成的新突破。
德國科學院院士曼弗雷德·雷茨就論文給出的評價意見認爲，從二氧化碳轉化爲糖是特別有挑戰性的工作。這一成果提供了一種靈活性、多功能性和高效性的糖合成路線，爲綠色化學打開了一扇門。
稀少糖產業化未來可期
“自然界中含量最豐富的單糖就是己糖，與機體的營養代謝關系最密切。”楊建剛解釋說。糖的主要功能是提供熱量，人體所需要的70%左右的能量由糖提供。
科研新突破，空氣似蜜甜。在研究所，半月談記者嘗到了含有阿洛酮糖的深紅色軟糖，口味與一般軟糖差別不大，但它大有來頭。阿洛酮糖甜度約爲蔗糖的70%，口感純正，幾乎不含卡路裏，對促進消化、控制體重、抑制血糖均能起到一定的作用，是有助於減肥及改善體脂率的新一代天然甜味劑。
葡萄糖是自然界中含量最多的己糖之一，除此之外，大多數己糖在自然界中非常稀少。以阿洛酮糖、塔格糖爲代表的稀少糖，具有與食糖相似的口感，但升糖指數低。
不過，稀少糖無法通過提取進行生產，這就制約了稀少糖的產業化及應用推廣。20世紀90年代，日本學者在土壤中發現了“稀少糖誘導的稀少酶”的存在，從此開始利用分子生物學方法進行稀少糖酶研究，推動阿洛酮糖的產業化。
富含“健康糖”的產品已在部分國家上市。隨着產業化持續推進，相信在不久的將來，日常生活中我們也能看到含有“健康糖”的飲料、蛋糕等食品。不同種類糖的產業化，都將因科研突破春山可望。
“二氧化碳—生物質資源—糖”的傳統加工過程，受到植物光合作用能量轉換效率限制。同時，由於土地退化和短缺，全球氣候變暖導致的極端天氣和自然災害頻發，依賴於糖類生物質資源的生產方式正面臨着供應安全風險。
人工高效、精準制糖，有望幫助減少來自農業生產的不確定性風險，更充分地滿足人類對糖的需求。海關數據顯示，2022年，我國糖累計進口25.64億美元，同比增長12.33%;進口數量爲527.6萬噸。長遠看，人工合成糖有望更好地滿足國內的糖需求。
楊建剛表示，這套研究方法獲得的糖，可作爲原料應用於食品、醫藥等領域，緩解日益增長的人口對糖的需求壓力。合成的葡萄糖等糖分子，還可以作爲工業生物制造關鍵原材料，合成其他化學品。
數據顯示，我國用佔全球9%的耕地、6%的淡水資源，養活了佔全球近20%的人口，這是了不起的成就。研究團隊成員宋皖說，糖在食品、生物醫藥、工業等領域有着廣泛的應用。該成果爲在工業條件下直接制糖開闢了新路徑，降低了對土地和水的依賴。
北京化工大學教授張一飛認爲，利用更少的能量，以更短的催化路徑精確地合成多種附加值更高的糖分子，爲制糖提供了一條非農業路線，也爲農業現代化開闢了新思路。
在低碳發展已是大勢所趨的當下，二氧化碳的轉化利用顯得尤爲重要。人工轉化合成碳水化合物是消耗二氧化碳的過程，將二氧化碳轉化爲澱粉、糖等人類生產生活必需品，將減少二氧化碳排放，助力“雙碳”目標早日實現。
半月談記者：毛振華王井懷/編輯：李建發
*本文爲《半月談內部版》2023年第10期內容
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