人造淀粉是科幻小说中的常客，1978年出版的科幻作品《小灵通漫游未来》曾对未来世界的人造淀粉车间展开畅想，在小说中，人们以二氧化碳和水作为原料，在阳光和人造叶绿素的作用下直接生产人造淀粉，并经过机器加工使之成为珍珠般的大米。2021年9月24日，国际知名学术期刊《科学》刊发了中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成方面取得的重大突破性进展，该研究在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。
文/黄诗愉 王国强
黄诗愉，中国科协创新战略研究院助理研究员。
王国强，中国科协创新战略研究院研究员。
淀粉家族大揭秘
淀粉是一种由葡萄糖单体聚合而成的多糖类物质，由碳、氢、氧三种元素构成，其分子式为（C6H10O5）n，其中n为聚合度，根据其分子结构不同可分为直链淀粉和支链淀粉两大类。从微观看，直链淀粉是由葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接而成的，其微观结构呈现螺旋链状；支链淀粉的结构更为复杂，包括主链和支链两部分，其中主链是由葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接而成，在主链上还存在由α-1,6-糖苷键连接形成的支链，微观结构呈现分支链状。从宏观看，淀粉是一种白色粉末状物质。直链淀粉遇碘呈现蓝色，支链淀粉遇碘呈现紫红色。
天然淀粉的主要来源包括谷物、薯类和豆类，通常是直链淀粉与支链淀粉的混合物，但因来源不同，二者的比例存在显著差异。因为支链淀粉的结构使淀粉分子间链接更加紧密，烹饪时支链淀粉含量高的食物更容易形成黏性的糊状物，所以一般直链淀粉含量高的食物（如鹰嘴豆、籼米）口感更硬，支链淀粉含量高的食物（如糯米）口感更糯。由于支链淀粉比直链淀粉具有更多的分支结构，提供了更多的酶作用位点，食用支链淀粉含量高的食物，血糖上升得快。
探秘淀粉的“跨界本领”
淀粉可不只是“能量小仓库”，它还是个“多面手”，在食品、化工、医药等领域都有“工作证”。
一是作为食品行业的原料。水稻、小麦、玉米等主粮富含淀粉，这种淀粉是植物光合作用的产物，储存着丰富的能量。这些富含淀粉的主粮可为人类提供生理活动所需的能量。此外，淀粉由于其独特的理化性质，在食品加工中可作为增稠剂（酱料）、凝胶剂（果冻）、膨松剂（蛋糕）、保鲜剂（可食用薄膜）等。
二是作为化工行业的化学制剂。在造纸业中，淀粉可作为施胶剂，在纸张表面形成均匀的薄膜，填充纸张纤维的空隙，提升纸张的抗水性和表面强度。在纺织业中，淀粉可作为上浆剂，在纱线纺织前，使淀粉附着在纱线上，可形成保护膜，提升纤维强度和光滑度。此外，由于淀粉具有良好的生物可降解性，也常被用来制作环保可降解材料，减少传统塑料制品对环境的危害。
三是作为医药行业的辅助成分。在片剂生产中，淀粉作为填充剂可使药粉更易压制成片。淀粉还能改善某些刺激性药物的口感，使其更易被患者，特别是儿童患者所接受。淀粉的吸水膨胀性质也使其常作为药品的崩解剂，当药品进入胃肠道后，淀粉吸收水分膨胀使药品崩解，释放药品有效成分，促进药物的吸收。
用二氧化碳合成淀粉
目前，人们获取的淀粉都是植物“辛辛苦苦”造出来的，可植物造淀粉的过程存在许多局限性，如效率低下、污染环境、占地面积广等。因此，人们一直试图在获取淀粉上另辟蹊径。2015年，中国科学院天津工业生物技术研究所科研团队构建了C1、C3、C6、Cn四大模块，只用11步就实现了二氧化碳合成淀粉，合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。研究人员估算，按照目前的技术参数，在能量供给充足的条件下，1立方米的生物反应器年产淀粉量相当于5亩（1亩约为666.67平方米）土地玉米的淀粉平均年产量。
在用二氧化碳合成淀粉后，2025年4月，科研团队还开发出了一条以乙酸为原料的低碳酵母细胞淀粉合成路径，淀粉含量达到细胞干重的47.18%，淀粉时空生产效率约为农作物种植的50倍，体积生产效率则较其他微生物系统提升一个数量级。
人造淀粉的广阔前景
除生产效率高、有利于粮食安全、助力环境保护、占地面积小等优点外，人造淀粉还能实现定制化生产。天然淀粉的结构和性能受植物品种限制，要满足不同工业需求，往往需要复杂的后续加工。人造淀粉的最大优势就是可以按需定制，通过调整反应中的酶种类、反应条件，就能合成出不同结构、不同性能的淀粉。
在生物医药领域，淀粉常被用作药物载体（如胶囊外壳、缓释剂），但天然淀粉的纯度和粒径难以控制，影响药物释放效果。人造淀粉可通过控制反应时间和酶浓度，合成出“单分散性淀粉粒”（粒径均一、纯度99%以上），这种淀粉作为药物载体，能精准控制药物的释放速率，提高药效、减少不良反应。
在食品工业中，淀粉常用于增稠、稳定、改善口感，但天然淀粉可能含有蛋白质、脂肪等杂质，需要额外提纯。人造淀粉则可以实现“高纯度合成”，不含任何杂质，且可以根据需求调整直链/支链比例。例如：合成高直链淀粉，用于制作低血糖生成指数食品，适合糖尿病患者食用；合成“低分支淀粉”，用于制作口感更细腻的冰激凌、酸奶。
人造淀粉何时能走进千家万户
当前，制约人造淀粉走出实验室的主要障碍有3个。一是成本。人造淀粉生产需要多种酶，这些酶的制备成本目前很高，且很多酶在反应后会失活，无法重复使用。此外，人造淀粉需要的高浓度二氧化碳捕捉成本也较高，未来还需要进一步降低二氧化碳捕捉成本。二是从实验室生产到规模化生产存在阻碍。实验室的小体积反应很容易控制温度、压力、底物浓度，但放大到大型工业反应器时，会出现传质不均、散热困难等问题，导致反应效率大幅下降，甚至阻碍反应发生。三是公众非理性认知。人们对人造的食物往往存在天然的恐惧心理，此前被传得沸沸扬扬的转基因食品的安全性就是一个例子。虽然人造淀粉在化学结构上与天然淀粉完全相同，但是要使人们克服对人造淀粉的非理性恐惧还有很长的路要走。
不过，正如唐诗《乌衣巷》中的名句所言“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”，随着科技的进步和社会认知的改善，相信在不久的将来，人造淀粉这个“王谢堂前燕”，也会像化肥、杂交水稻一样，“飞入寻常百姓家”，为人类文明的进步贡献力量。
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