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通過二氧化碳,科學(xué)家可以“定制”你的快樂
時間:2023-08-31 17:37:47

你以為本文要講“肥宅快樂水”嗎?


(資料圖)

并不是。

今天要講的是一個“二氧化碳變成糖”的故事,而且是變成不少人夢寐以求的“健康糖”。

糖是自然界存在最多、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的化合物,又稱碳水化合物,是人類食物與動物賴以生存的重要物質(zhì)之一,人體所需要的70%左右的能量由糖提供?!疤鹗呈谷丝鞓贰?,很大程度上是因為其中的糖給了我們甜蜜、愉悅、歡快的感覺。

(圖片來源:veer圖庫)

不過,從古至今,獲得糖的過程可不像吃糖那么快樂。地球上的綠色植物通過光合作用固定二氧化碳,將淀粉、蔗糖等碳水化合物儲存在玉米、小麥、甘蔗、水果等作物中。 人們需要采用物理、化學(xué)以及生物手段,經(jīng)歷復(fù)雜制糖過程,才能獲得糖。

據(jù)文獻記載,在大約4000年前,中國掌握了熬制飴糖的技術(shù),從谷物、薯類淀粉中制取甜食,名為“飴”,例如《詩經(jīng)·大雅》中有“周原滕臁,堇荼如飴”的詩句,說明西周時就已有飴糖。到了唐朝,蔗糖制作技術(shù)取得了突破性的進展,砂糖開始出現(xiàn),并從皇室貢品開始走向民間。大約在18世紀,德國科學(xué)家馬格拉夫從甜菜中提取成功蔗糖,真正使得糖消費平民化。

時至今日,人們已經(jīng)能制出種類紛繁,結(jié)構(gòu)和功能各異的糖家族,應(yīng)用于生活中的各個領(lǐng)域,包括糖果、飲料、烹飪、藥品、工業(yè)制造等。全世界每年糖的產(chǎn)量和消費量均已突破億噸,已成為人們生活中不可或缺的食品原料和能量來源。

但是,這種傳統(tǒng)的“二氧化碳——生物質(zhì)資源——糖”的制糖方法,正在面臨一些挑戰(zhàn)。

制糖廠和甘蔗(圖片來源:veer圖庫)

首先,日益增長的人口數(shù)量對糖需求量越來越高,受到植物光合作用能量轉(zhuǎn)換效率限制,依賴作物為原材料獲取糖成分的方式在未來可能無法滿足需求;

其次,隨著土地退化和短缺、生態(tài)系統(tǒng)退化、全球變暖導(dǎo)致的極端天氣和自然災(zāi)害,依賴于糖類生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著原料供應(yīng)安全和風險等問題;

再次,在長期自然進化過程中,作物中的糖成分已經(jīng)相對固定, 難以獲得一些稀有的或者天然不存在的單糖成分 ,這些單糖成分有可能具有重要生理功能。

等等,這種“稀有的糖”是什么?有什么特別的功能?

一種稀少而又健康的糖

糖的分類包括單糖、雙糖、多糖。單糖是碳水化合物中最基本的組成單位,根據(jù)碳原子數(shù)目又分為丙糖(3個碳原子)、丁糖(4個碳原子)、戊糖(5個碳原子)、己糖(6個碳原子)等, 其中己糖是自然界含量最豐富的單糖,與機體營養(yǎng)代謝最為密切 。

葡萄糖分子式(圖片來源:veer圖庫)

葡萄糖、果糖是自然界中含量最多的已糖。饅頭等食物被人吃下后,最終會以葡萄糖的形式進入人體血液,輸送到人體不同器官或生產(chǎn)能量或轉(zhuǎn)化成人體所需要的蛋白質(zhì)、脂肪等。因此,葡萄糖被譽為生命結(jié)構(gòu)與貯能的重要物質(zhì)。果糖被譽為“最甜”的單糖,廣泛存在于蜂蜜中。

自然界中,除了葡萄糖、果糖等少數(shù)糖含量豐富外,大多數(shù)已糖在自然界中存在很少,2002年這類糖被國際稀少糖學(xué)會定義為稀少糖。所謂的稀少糖,主要是指自然界中含量稀少的一類單糖。

稀少糖自然界含量示范圖(圖片來源:國際稀少糖學(xué)會ISRS)

其中, 阿洛酮糖是一種重要的稀少糖,其甜味類似蔗糖(甜度為蔗糖70%),熱量低(/g)、幾乎零升糖指數(shù)(GI) 。研究證明,阿洛酮糖具有抑制血糖上升及預(yù)防肥胖作用,有可能成為改善糖尿病、肥胖人群的食糖替代品。(文獻來源:Nature Communication,2018,9,113)

稀少糖作為甜味劑不僅可以滿足人們對甜味的渴求,還展現(xiàn)出對身體有益的生理功效。隨著各國減糖及征收糖稅政策的實施,預(yù)計稀少糖的需求將不斷提高。

但是問題又來了,在自然界中,“健康糖”的原料稀少,只靠傳統(tǒng)的制造方法肯定無法滿足需要。

這時,你會不會想起“二氧化碳變淀粉”? 淀粉就是由葡萄糖聚合而成的,既然二氧化碳可以變成淀粉,能不能變成其他結(jié)構(gòu)的6碳糖呢?

糖的“定制”合成:從“年”到“小時”的跨越

近期,中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所(簡稱“天津工業(yè)生物所”)開發(fā)了人工轉(zhuǎn)化二氧化碳從頭精準合成糖技術(shù),實現(xiàn)了二氧化碳“定制化”合成多種己糖,構(gòu)建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統(tǒng),為擺脫自然合成途徑、利用二氧化碳創(chuàng)造多樣的“糖世界”提供了可能。

人工轉(zhuǎn)化二氧化碳合成己糖技術(shù)路線(圖片來源:中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所)

2021年,天津工業(yè)生物所在實驗室實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的人工合成,證明了不依賴于自然的人工合成路徑的可行性,為研究所二氧化碳合成糖的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ) ( ) 。

站在淀粉成果的肩膀上,天津工業(yè)生物所基于碳素縮合、異構(gòu)、脫磷等酶促反應(yīng),與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團隊合作,設(shè)計構(gòu)建化學(xué)-酶耦聯(lián)的非天然轉(zhuǎn)化途徑,工程化設(shè)計改造酶蛋白分子的催化特性,實現(xiàn)了精準控制合成不同結(jié)構(gòu)與功能的己糖,其中就包括 阿洛酮糖等稀有糖 。

整套實驗的反應(yīng)時長約17小時。 與通過種植甘蔗等農(nóng)作物提取糖分的傳統(tǒng)方式相比,糖的獲取時長實現(xiàn)了從“年”到“小時”的跨越。

此次糖合成的效率為克每升每小時,比已知研究提高10倍以上。葡萄糖的碳固定合成效率達到每毫克催化劑每分鐘納摩爾碳,是 目前已知的國內(nèi)外人工制糖最高水平 。與此同時,建立了可進一步延伸糖產(chǎn)物種類和構(gòu)型的生物系統(tǒng),可實現(xiàn)人工創(chuàng)造糖分子多樣性。

該研究成果是在二氧化碳合成淀粉基礎(chǔ)上的一個重大突破, 顛覆了依賴糖生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化制備復(fù)雜糖分子的范式 ,提供了一種靈活的、可拓展的糖制造模式,可獲得自然界含量稀少的功能糖分子,從而拓展應(yīng)用范圍。所獲得糖可作為原料應(yīng)用于食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域,還可作為工業(yè)生物制造關(guān)鍵原材料合成其他化學(xué)品,進一步滿足人類的其他物質(zhì)需求。這項研究還為二氧化碳轉(zhuǎn)化利用提供了新的方案:將二氧化碳轉(zhuǎn)化為淀粉、糖等生產(chǎn)生活必需品,將減少二氧化碳排放。

人工轉(zhuǎn)化二氧化碳合成己糖溶液樣品(圖片來源:中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所)

國際著名有機化學(xué)家,生物催化領(lǐng)域?qū)<?,德國科學(xué)院院士Manfred T. Reetz(曼弗雷德·雷茨)評價稱,將二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物是一個特別有趣的想法,也是非常具有挑戰(zhàn)的。成果在這一競爭性研究領(lǐng)域取得了真正突破,提供了一種靈活性、多功能性和高效性糖合成路線。

現(xiàn)在,我們實現(xiàn)了人工精準合成己糖技術(shù)路線突破,但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長的路要走,相信隨著科技的進步,相關(guān)科學(xué)與工程技術(shù)問題能夠得到解決。 我們不但能“定制”給人們帶來快樂的糖,也能“定制”出低碳發(fā)展的明天。

作者:楊建剛 孫媛霞

作者單位:中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所

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