（通讯员  邓辉）

讲座题目：透视新科技——空气真能变馒头吗？

主 持 人：胜  春

做客嘉宾：马延和，中国科学院天津工业生物技术研究所研究员。

                曲乐庆，中国科学院植物研究所研究员。

讲座时间：2025年元月6日～元月12日

（备注：讲座视频可循环播放）

https://article.xuexi.cn/articles/video/index.html?art_id=12823858401440855117&read_id=29c09528-cd61-463c-a23c-89316b81ba49&ref_read_id=&reco_id=&mod_id=&cid=&source=share&study_style_id=video_default

透视新科技——空气真能变馒头吗？

讲座内容：

各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。2021年的9月，中科院发布了一项重要的科研成果，那就是通过人工合成的手段，将空气中的二氧化碳合成淀粉。消息发布之后，有人开玩笑说，如果这是真的，那喝西北风也就成真了。来，通过短片进入我们今天的节目。人类食用的淀粉主要来自于植物，植物通过光合作用，把阳光的能量存储在淀粉里，人类通过摄取植物里的淀粉获得能量，维持生命。而今，中国科学家利用空气中的二氧化碳在实验室里人工合成出了淀粉，科学家为什么要人工合成淀粉？合成淀粉能否替代植物淀粉制作成馒头呢？首先我们给大家介绍一下我们今天请来的两位专家，一位是中国科学院天津工业生物技术研究所的研究员马延和，另外一位是中国科学院植物研究所的研究员曲乐庆。科学界出了一件特别炸的一个新闻，那一天这一条消息被转发疯了。说真的能够实现二氧化碳变成淀粉吗？这是我们普通人的反应，我不知道在科技界你们收到的信息是什么？

的确，这个新闻发布之后，收到的各方面的信息非常多。然后找我们合作的科研机构，投资的机构，也包括国外的一些投资机构和一些大型企业来寻求合作，所以确实没想到这个新闻的轰动效应（这么大）。听说咱们天津所的门槛都被踏平了。是，现在有点应接不暇。我朋友圈里都要炸锅了，说天呐，这是真的吗？其实空气变馒头，实际上在自然界我们习以为常的一个现象，因为植物通过光合作用，它吸收空气中的二氧化碳，然后逐渐积累成淀粉，我们把淀粉取个面粉变成馒头。实际上说更简单一点说，就是我们现在所有的吃的，包括馒头也好，米、面、油、肉、蛋、奶，这都是来自于植物，都是来自光合作用，都是把空气中的二氧化碳给固定下来以后变成了淀粉也好，或者碳水化合物，或者是蛋白质也好，或者是脂肪也好，所以从这个意义上来说，我们现在就是说空气变馒头是通过植物来实现的。那我们说的二氧化碳变馒头，等于说省去了光合作用这个环节？对，就是我们现在这个技术就是绕开了植物所谓的这个母体，不需要植物的光合作用。然后，直接通过工业方式，用另外的能量形式来固定这个二氧化碳，然后把二氧化碳固定下来，形成有机碳。有机碳再进一步形成长链的淀粉分子，也就是说它和农业、庄稼、植物作为载体是一个颠覆性的模式。过去我们都习惯在植物当中来提取淀粉，我们为什么要做人工合成这件事情？

其实这个想法国际上由来已久，科学家有一个梦想，就是把我们所谓的农业种植的一些产品变成工业化方式来生产，我们种庄稼来获取粮食、淀粉，这是我们习以为常的一种模式，我们的农业种植其实是非常经济、非常便宜、非常环保的，但是毕竟我们的土地有限，我们的资源有限，我们现在对粮食的需求越来越多，我们的人口越来越多，对农业的压力也越来越大，我们是不是可以用一种集约化、高效的工业方式来生产制造我们传统农业的一些产品，这样提高我们所说的生产效率。光合作用它也有很多的限制因素，第一个就是说植物到目前为止，光能的利用效率还是比较低的，理论上可以达到2%。但是现在实际上也就（约）0.6%、0.7%，不到1%，还有一个就是光合作用，它只是在白天有光的时候进行光合作用，晚上它是要进行呼吸的，那么白天固定这个碳或者这个糖，它晚上有一部分要消耗掉。再一个就是说影响光合作用，或者影响农业生产的，还有很多的因素，包括这个温度，我们现在的气候变化，旱涝都会影响作物成长或者粮食生产，所以现在我们农业工作者，包括育种学家或者耕作栽培的工作者也好，都是在想方设法培育好品种，改良它耕作的栽培方式，都是为了增加它二氧化碳同化能力，或者说光合作用的效率，提高它的产量，产生更多的粮食。但是这个还是随着人口的增长，土（耕）地（面积）的下降或者是环境条件的变化，那么还是要承受着很大很大的压力。如果是能有一条替代的途径，或者有一些补充的途径，在这里面当然是更好的。

在这之前我们国际上的同行有类似的尝试吗？有若干的尝试，把二氧化碳通过不同的能量变成甲酸、甲醛、甲醇、一碳化合物，甚至到乙醇、乙酸、二碳化合物，就是简单的一些化学品，是已经有成功的案例。但还是对淀粉大分子、长分子这个合成国际上一直还没有突破，美国NASA（美国国家航空航天局）其实在2018年就发布过一个叫“百年挑战计划”，就是从二氧化碳出发来合成葡萄糖。这个葡萄糖就是淀粉的基本组成单元，当然到现在为止还没有攻克，总的来讲我觉得是应该说长链的，复杂的这个淀粉，还没有从头合成过。人工合成淀粉，它的合成的过程是什么样的？我们通过短片去了解一下。植物吸收阳光作为能量，然后在体内把二氧化碳和水变成碳水化合物和氧气，这就是植物的光合作用。人工合成淀粉与植物的光合作用相似，同样利用太阳能、二氧化碳和水，不过反应场所不是植物体内，改在了反应罐里。太阳负责制造氢气，氢气与二氧化碳在催化作用下形成一种拥有一个碳分子的化合物，接下来就是一个堆积木的过程，一碳化合物被生物酶催化成三碳化合物，三碳化合物再聚合成六碳化合物。很多个六碳化合物，手拉手连在一起，就成了我们想要的产物“淀粉”。那么，这种在反应罐里合成的淀粉又与植物生成的淀粉有何区别呢？

我们所说的这个科研成果，将二氧化碳合成淀粉，跟我们传统意义上在农作物当中提取的淀粉之间的差别是什么？目前我们在实验室做出来的淀粉，基本上还是直链淀粉，就是一条像一个珍珠链，一个珠子一个珠子，一个糖一个糖把它串起来，形成这个淀粉的链是个直的。我们自然植物合成的是各种分支交叉的，这种分支上再有分支，就是非常复杂。从分子结构上，是吧。分子结构上和自然的是一致的，只是没有自然的那么复杂，从特性区别上它没有什么区别。能当粮食吃吗？吃是没有问题，但是它只是提供一部分的能量。能有我们植物里提取的那么香吗？应该没有，我们讲食味品质就是好吃不好吃，那么这个东西不是淀粉自身来决定的。比方说馒头，馒头实际上它面粉里边是有一种麦谷蛋白，这个麦谷蛋白不是一般的，我们印象中鸡蛋里边蛋白或者牛奶的蛋白，它不是的。面粉里边的麦谷蛋白有上百种，那么这不同的麦谷蛋白存在了以后，那么在你加水和面的过程中，它就形成面筋。什么面筋呢？面筋就是麦谷蛋白，不同的麦谷蛋白的含量，不同种类它的（含量）高或者是低，多或者是少，那么就直接决定了你这个面团柔软还是不柔软，延展性怎么样？你做馒头，它能不能发得起来？要不然的话，就是个死面馒头，你肯定不会去吃了，对吧。还有就是做面包、做面条的、做饺子的，这些面粉的要求的质量都不一样，实际上就是麦谷蛋白这个比例或者是成分是不一样的。那么这就是说为什么人工合成的淀粉要到可食，跟天然淀粉比还有很大的差距，主要是还在这个地方。

过去那么多年我们都做不到，今天我们是怎么做到的，这中间我们攻克了哪些难关？其实植物光合作用吸收太阳能，固定二氧化碳来合成淀粉这个过程还是非常复杂，步骤很多，特别是调控非常复杂，到现在为止，我们可能对于这个淀粉合成的路径非常清楚，但是对它的调控机制还不是特别清晰。这个调控指的是什么？就是植物它在生长过程中除了合成淀粉之外，它还要合成蛋白质，合成秸秆、纤维素，合成它的植株，其他的这些旁路。植物它这个光合作用的，最初的产物并不只是往合成淀粉这一个方向走，那么它还有其他的，包括蛋白、脂肪。那么这就好比一条大河，满水的一条大河，如果它分成若干条小河的话，那这小河里边水就少了，就好像是说合成淀粉方向，原料流就很少了。那马老师他们现在就是我就一条路子，我人工挖出来一条通路，或者叫运河，我就让你水往我这个方向来走，你把所有的底物或者说原料，你都给我来合成淀粉，你别去干别的。它实际上就新建了一条路子，新挖了一条河，植物进化它不是为了人吃的，它为了它自己要活，并不是我人类需要的东西，它就生产出来，但是往往它生产出来东西，就必须要有，否则的话，它生存不下去。但是如果是把这条定向的，如果在体外的话，在实验室里，在体外，在发酵罐里就可以实现这个定向的，走这个过程。通过人工设计，把这个设计的各种各样的，各种各样的高效的酶把这个反应变简单了，变有效了，变快速了，那么这个效率就成倍地或者几十倍地上百倍地翻起来了。

那目前我们人工合成的淀粉，从产量上讲，我们能达到什么程度？目前我们从原料加进去，然后经过反应制造出淀粉，大概一个周期是四个小时就可以收获了。这个时间很短。对，和相对于农业种植的周期来讲，肯定是效率要高得多了，我们按照合成效率来讲，大概像一个立方的体积的反应罐，它一年合成淀粉的产量相当于咱们国家五亩土地的玉米产量。那它如果真的成功的话，可以大量节省耕地。对，它的效率高，我们现在有没有计算过它的这个能量转化率是多少？目前这条路径的就是太阳能的转化率是7%，那就是比植物要高3.5倍。过去一直也是通过光合作用，只是时间周期长一点，今天通过科技手段，通过催化剂的帮助，它变得更快了。说到这儿，我们也通过短片去了解一下淀粉除了吃以外的用途。淀粉除了食用，也是工业上主要的原料，在医药行业，胶囊、绷带、酒精的生产都离不开淀粉。在建筑业，淀粉同样不可或缺，隔音板、壁纸、涂料里都有淀粉的成分。除此之外，在食品、日化、印刷、纺织、造纸等各个工业领域，淀粉都有着广泛的用途。据统计，目前我国每年的工业淀粉需求量在2800万吨左右，都需要从粮食中获得，而且每年还要大量进口。如今，人工合成淀粉诞生，它生产周期短，产量也更高。如果这项技术能够推广开，则对我国粮食生产和工业产业都有着重要意义。那么，这项技术何时才能推广，还存在哪些瓶颈呢？

您转化过的淀粉，您为什么不尝呢？我会有这种好奇心，太贵了，舍不得。有多贵？我觉得现在比金子还贵，就是目前的成本太高。成本怎么计算？现在的成本主要的还是能量的供给。我们现在是比如说太阳能，然后来电解水形成氢。目前计算大概一公斤淀粉，理论上我们需要26度（千瓦时）电。26度（千瓦时）电做成一公斤淀粉，那我们需要的这个二氧化碳是多少？二氧化碳就也差不多是1:1.6的样子，就是1.6吨碳能出1吨的淀粉。就是主要在于能量的供给，还是现在这个能量电能太贵了。现在我们市场上的这个淀粉售价也就两三块钱，就光电能本身就很贵。另外，这里面还没有包括制造这些酶催化剂的成本，这个过程装备的成本，目前还不能计算，因为毕竟还在实验室小规模。科技成果普及成民用产品，最重要的就是它的价格要便宜，那除了它的成本高一些，目前还面对着哪些技术的瓶颈需要我们去克服呢？

一个就是核心的这些酶催化剂，现在还是成本非常高，稳定性也不好，因为生物催化剂、酶催化剂和化学催化剂还不太一样，它的热稳定性不高，容易失活，需要进一步提高这个酶蛋白的活性和稳定性，这个可能需要克服非常大的挑战。另外一个，就是我们这条路线，还是化学催化和生物催化的一个结合，就这两个结合在一起，在工程化实现上，还是存在非常多的挑战，做成一个高效的反应器。如果能够把能量耗散减少，能量损失减少，如果能够实现用高浓度的二氧化碳，高密度的能量，然后来形成一个高效率的工业生产，确实还有很多工程化的问题要解决。这样的路程还有多远？应该再有个10年左右吧。像这种人工合成的工业化的淀粉，对未来我国的农业，包括全球的农业是一种冲击，还是一种补充？现在不能说是冲击，也只能说是补充，刚才说淀粉它的用途很广，不光是做食品，做饲料，还有一大部分做工业淀粉用途，我们现在这个工业淀粉都是通过粮食来加工来得到的，那如果是工业淀粉的话，又可以用我们的合成的淀粉来替代的话，那就可以完全省掉很大一部分的粮食，那么这个对农业来说，是个非常好的一个补充，那么对保证我们国家的粮食安全也确实是有很重大的贡献。但是如果是说完全冲击的话，目前来看还不会。所以我们研究植物的也不担心。对。

这项科研成果落地了的话，农民还用种粮食吗？这完全是两个概念，首先就是说农民我们种地，通过农业生产或者种植业的生产，并不只是得到碳水化合物或得到淀粉，实际上我们还有很多其他的都是通过植物来的，包括蛋白质，包括脂肪，就是油分，还有维生素，这是很重要的一块。那么还有一些包括微量元素，这些东西都是通过植物来的。那么淀粉只是说是一小块，再一个就是说，完全只是个淀粉的话，还是形成不了食物。大家也都知道在超市上可以买到淀粉，但是谁用淀粉做主食呢？粉条没问题，它是淀粉来的，或者是做一个淀粉勾芡的也可以，但是做主食还是不是一个概念。打个最简单的例子，那么酒精也好，或者醋酸的合成很早就实现了。那么，你现在谁喝酒精制的酒，或者谁用醋酸做的那个醋，它的用途是不一样的，不可能混在一起，虽然成分是一样的，但是混不到一块去。这条路线还非常远，如果把咱们粮食中所有的组分，包括蛋白质、脂肪、维生素、纤维素，都能够通过这种工业方式合成。如果它的成本足够低，那个时候才可能，是吧。明白。

还有一个规模化的问题，农业种植是个规模化，如果说是一小块一小块地比的话，它可能是没有你试管或者是在实验室，或者是发酵罐效率高。但是它的规模规模化上来了以后，它成本就很低，那么现在农业生产和种植业生产实际上就是一种最廉价的、最环保的、最清洁的一种生产方式，所以这种方式是不会（被）替代的。这条路线如果能够工业化成功，可能也会应对一些极端的条件，我们比如说特大的干旱，特大的洪涝，如果我们的农业来不及种植的时候，也可以通过这种方式来弥补。那说到我们这个未来的人工合成淀粉，除了吃、工业用途还有哪些用途？星际旅行，在充满二氧化碳的星球上，我们可以通过这条路径把二氧化碳固定下来，然后形成我们所需要的这种这有机化合物，我们所谓的粮食、淀粉，然后来供给人类的一部分能量，这样可以提供我们人的最基本的一种能量需求。普通人进行星际旅行了，我们只要带一个催化剂的装置，您需要吃的摁一个钮，把这个碳收集起来之后，这边粮食出来了。对，按一个钮，这边可能还会出蛋白质、出肉。就是把淀粉做出来之后，淀粉其实再作为原料进一步可以合成几乎所有的有机物，包括蛋白质、维生素、脂肪，其实都可以通过淀粉再转化过来。

马先生的意思是曲先生您还是要有危机意识的？是有这个可能性，就是说什么，部分的，不是说马老师说的全部都能实现。就是说淀粉，是很多物质的底物或者原料，它可以合成很多的东西，这个没问题，我们也希望能够继续延伸下去，但是蛋白很多种，淀粉也很多种，包括脂肪也很多种。打个比方说，并不是说你把一堆建筑原料掺在一块，它就能够形成一个建筑，再就是说我们这个食品的话，它是个有机的组成，所以说同样都是大米，有好吃的，有不好吃的，它组分相近，没什么大的差别。但你为什么有好吃的，有不好的？有的有人买，有的就没有人用，那也是一样的。像这种人工的合成产品，它完全可以加入对人体无害的添加剂，可以改善它的口感。做添加剂是可以的，但是农业生产是一个规模化的生产，全球有几十亿公顷的土地，你现在就是说如果是淀粉可以形成工业化（生产），那么你需要多大一个规模，你才能替代这个东西？所们我们并不担心这个，只是说我们是欢迎补充，但是形成挑战我们不担心。未来当人工合成淀粉，真的可以工业化生产的时候，普及到百姓生活当中的时候，带来的影响是什么？

一个就是我们可能会有更多的粮食来供应我们，作为我们的食物。然后工业上的一些用粮可能就会被减少了，我们可以节约很多的粮食。更重要的我觉得和我们日常接触的，就是我们可以有目的地去设计一些特殊的淀粉分子，然后满足我们不同的需求，包括比如说我们要吃不同的粉丝，不同硬度的，或者是不同口感的。当淀粉人工合成，成本足够低，我们能够工业化生产的时候，可以扩展这个淀粉使用的场景，就是甚至包括我们说的现在的石油、煤炭，这种原料来做我们的化工产品，包括塑料、化纤，这些基本的一些材料，其实都可以通过淀粉做原料来实现。举个最简单的例子，可降解塑料，如果从淀粉做的话，就不会存在现在塑料的白色污染，它很快就被分解掉了，那么就可以完全替代了这些用乙烯或者聚乙烯的做塑料这些东西。实际上它最大的意义就是它可以替代石油、煤炭，真正成为一个碳中性的原料。因为淀粉本身就是一个储能物质，它把能量储存下来，然后再通过我们的工业加工，形成不同的工业产品，将来它还可以自然地去降解，所以这个将来应该是一个碳中性的一条路线。

另外，我们用高浓度的二氧化碳来做原料，在工厂制造它是会形成一个高效率的模式，是二氧化碳减排问题。这个不光是二氧化碳合成个淀粉的事情，我感到最有价值这个碳固定或者碳同化，对我们现在这个碳中和这个效果也许更加有意义。说到这儿，我们看看相关的短片。把二氧化碳作为原料，人工合成淀粉这一技术，为碳达峰、碳中和目标的实现提供了一条新的路径。不仅如此，把二氧化碳通过人工设计的路径合成淀粉，是合成生物学领域一个重要突破，为其他化合物的合成提供了新的思路。当简单的元素在人的设计下可以绕过复杂长期的自然变化，形成新的化合物，科学家们可以就此展开更加深入的探索。二氧化碳以后不仅能变成馒头，还有可能变成塑料，变成燃料，变成生活中一切含碳元素的物质。当然，原料也可以不局限于二氧化碳，产物也会更加多种多样。到那个时候，科学家们需要的也许是更丰富的想象力。

我们突破第一步了？对，合成生物学，它是可以把很多的复杂过程变简单、简化，然后达到具有应用效果的这么一个流程。那么马老师突破了这些框框，实现简化这个步骤，这个是很成功的一个例子。通过淀粉这个路子，直接跨到另外一个分支去，直接走到下一步或者更高的，或者更昂贵的，或者更有价值一些副产品，那也许是更好一些，将来对我们的衣食住行都会有很高的应用价值。另外一个，在植物方面的合作，现在也在开展，就是如果把这个人工合成的淀粉这条路径，装到植物细胞里面，也可能会引起植物合成淀粉一些机制的变化，也许会增加合成淀粉的一些倾向性，甚至在叶片里面，甚至在秸秆里面的淀粉含量会增加，就是这是一种可能性。您说的时候曲先生下意识地看了你一眼。不是，这个我们欢迎，因为现在就是说现在有一种叫做人工叶片，就是可以人工合成建造一个叶片。那么在这个里面把光合途径给它改变掉，如果是马老师说这个，我可以把这个途径是不是可以跟我们人工叶片结合起来，然后通过人工叶片来进行光合作用，那可以把这个光合作用变得更简单一些。这也是学科跨界的一个美好的合作的理想。对，没错。好，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的内容，可以下载央视频APP收看我过往的节目。今天的节目就到这儿了，我是胜春，咱们下期节目再见。