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        通過(guò)二氧化碳,科學(xué)家可以“定制”你的快樂(lè )
        時(shí)間:2023-08-31 17:37:47

        你以為本文要講“肥宅快樂(lè )水”嗎?


        (資料圖)

        并不是。

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

        糖是自然界存在最多、結構最復雜的化合物,又稱(chēng)碳水化合物,是人類(lèi)食物與動(dòng)物賴(lài)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?lè )”,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(jué)。

        (圖片來(lái)源:veer圖庫)

        不過(guò),從古至今,獲得糖的過(guò)程可不像吃糖那么快樂(lè )。地球上的綠色植物通過(guò)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)歷復雜制糖過(guò)程,才能獲得糖。

        據文獻記載,在大約4000年前,中國掌握了熬制飴糖的技術(shù),從谷物、薯類(lèi)淀粉中制取甜食,名為“飴”,例如《詩(shī)經(jīng)·大雅》中有“周原滕臁,堇荼如飴”的詩(shī)句,說(shuō)明西周時(shí)就已有飴糖。到了唐朝,蔗糖制作技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展,砂糖開(kāi)始出現,并從皇室貢品開(kāi)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(shí)至今日,人們已經(jīng)能制出種類(lèi)紛繁,結構和功能各異的糖家族,應用于生活中的各個(gè)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(lái)源。

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

        制糖廠(chǎng)和甘蔗(圖片來(lái)源:veer圖庫)

        首先,日益增長(cháng)的人口數量對糖需求量越來(lái)越高,受到植物光合作用能量轉換效率限制,依賴(lài)作物為原材料獲取糖成分的方式在未來(lái)可能無(wú)法滿(mǎn)足需求;

        其次,隨著(zhù)土地退化和短缺、生態(tài)系統退化、全球變暖導致的極端天氣和自然災害,依賴(lài)于糖類(lèi)生物質(zhì)資源的生產(chǎn)方式面臨著(zhù)原料供應安全和風(fēng)險等問(wèn)題;

        再次,在長(cháng)期自然進(jìn)化過(guò)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(lèi)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,根據碳原子數目又分為丙糖(3個(gè)碳原子)、丁糖(4個(gè)碳原子)、戊糖(5個(gè)碳原子)、己糖(6個(gè)碳原子)等, 其中己糖是自然界含量最豐富的單糖,與機體營(yíng)養代謝最為密切 。

        葡萄糖分子式(圖片來(lái)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(huì )以葡萄糖的形式進(jìn)入人體血液,輸送到人體不同器官或生產(chǎn)能量或轉化成人體所需要的蛋白質(zhì)、脂肪等。因此,葡萄糖被譽(yù)為生命結構與貯能的重要物質(zhì)。果糖被譽(yù)為“最甜”的單糖,廣泛存在于蜂蜜中。

        自然界中,除了葡萄糖、果糖等少數糖含量豐富外,大多數已糖在自然界中存在很少,2002年這類(lèi)糖被國際稀少糖學(xué)會(huì )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(lèi)單糖。

        稀少糖自然界含量示范圖(圖片來(lái)源:國際稀少糖學(xué)會(huì )ISRS)

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

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

        但是問(wèn)題又來(lái)了,在自然界中,“健康糖”的原料稀少,只靠傳統的制造方法肯定無(wú)法滿(mǎn)足需要。

        這時(shí),你會(huì )不會(huì )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,能不能變成其他結構的6碳糖呢?

        糖的“定制”合成:從“年”到“小時(shí)”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(jiǎn)稱(chēng)“天津工業(yè)生物所”)開(kāi)發(fā)了人工轉化二氧化碳從頭精準合成糖技術(shù),實(shí)現了二氧化碳“定制化”合成多種己糖,構建了靈活性、高效性及多功能性的人工生物系統,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。

        人工轉化二氧化碳合成己糖技術(shù)路線(xiàn)(圖片來(lái)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(shí)驗室實(shí)現了從二氧化碳到淀粉的人工合成,證明了不依賴(lài)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 ( ) 。

        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、脫磷等酶促反應,與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所科研團隊合作,設計構建化學(xué)-酶耦聯(lián)的非天然轉化途徑,工程化設計改造酶蛋白分子的催化特性,實(shí)現了精準控制合成不同結構與功能的己糖,其中就包括 阿洛酮糖等稀有糖 。

        整套實(shí)驗的反應時(shí)長(cháng)約17小時(shí)。 與通過(guò)種植甘蔗等農作物提取糖分的傳統方式相比,糖的獲取時(shí)長(cháng)實(shí)現了從“年”到“小時(shí)”的跨越。

        此次糖合成的效率為克每升每小時(shí),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 目前已知的國內外人工制糖最高水平 。與此同時(shí),建立了可進(jìn)一步延伸糖產(chǎn)物種類(lèi)和構型的生物系統,可實(shí)現人工創(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上的一個(gè)重大突破, 顛覆了依賴(lài)糖生物質(zhì)資源轉化制備復雜糖分子的范式 ,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,從而拓展應用范圍。所獲得糖可作為原料應用于食品、醫藥等領(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(jìn)一步滿(mǎn)足人類(lèi)的其他物質(zhì)需求。這項研究還為二氧化碳轉化利用提供了新的方案:將二氧化碳轉化為淀粉、糖等生產(chǎn)生活必需品,將減少二氧化碳排放。

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

        國際著(zhù)名有機化學(xué)家,生物催化領(lǐng)域專(zhuān)家,德國科學(xué)院院士Manfred T. Reetz(曼弗雷德·雷茨)評價(jià)稱(chēng),將二氧化碳轉化為碳水化合物是一個(gè)特別有趣的想法,也是非常具有挑戰的。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(xiàn)。

        現在,我們實(shí)現了人工精準合成己糖技術(shù)路線(xiàn)突破,但距離工業(yè)化生產(chǎn)還有很長(cháng)的路要走,相信隨著(zhù)科技的進(jìn)步,相關(guān)科學(xué)與工程技術(shù)問(wèn)題能夠得到解決。 我們不但能“定制”給人們帶來(lái)快樂(lè )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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