你會選擇人造淀粉嗎？

人造淀粉是科幻小說中的常客，1978年出版的科幻作品《小靈通漫游未來》曾對未來世界的人造淀粉車間展開暢想，在小說中，人們以二氧化碳和水作為原料，在陽光和人造葉綠素的作用下直接生產人造淀粉，并經過機器加工使之成為珍珠般的大米。2021年9月24日，國際知名學術期刊《科學》刊發了中國科學院天津工業生物技術研究所在淀粉人工合成方面取得的重大突破性進展，該研究在國際上首次實現了二氧化碳到淀粉的從頭合成。

文/黃詩愉 王國強

黃詩愉，中國科協創新戰略研究院助理研究員。

王國強，中國科協創新戰略研究院研究員。

淀粉家族大揭秘

淀粉是一種由葡萄糖單體聚合而成的多糖類物質，由碳、氫、氧三種元素構成，其分子式為（C6H10O5）n，其中n為聚合度，根據其分子結構不同可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉兩大類。從微觀看，直鏈淀粉是由葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接而成的，其微觀結構呈現螺旋鏈狀；支鏈淀粉的結構更為復雜，包括主鏈和支鏈兩部分，其中主鏈是由葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接而成，在主鏈上還存在由α-1,6-糖苷鍵連接形成的支鏈，微觀結構呈現分支鏈狀。從宏觀看，淀粉是一種白色粉末狀物質。直鏈淀粉遇碘呈現藍色，支鏈淀粉遇碘呈現紫紅色。

天然淀粉的主要來源包括谷物、薯類和豆類，通常是直鏈淀粉與支鏈淀粉的混合物，但因來源不同，二者的比例存在顯著差異。因為支鏈淀粉的結構使淀粉分子間鏈接更加緊密，烹飪時支鏈淀粉含量高的食物更容易形成黏性的糊狀物，所以一般直鏈淀粉含量高的食物（如鷹嘴豆、秈米）口感更硬，支鏈淀粉含量高的食物（如糯米）口感更糯。由于支鏈淀粉比直鏈淀粉具有更多的分支結構，提供了更多的酶作用位點，食用支鏈淀粉含量高的食物，血糖上升得快。

探秘淀粉的“跨界本領”

淀粉可不只是“能量小倉庫”，它還是個“多面手”，在食品、化工、醫藥等領域都有“工作證”。

一是作為食品行業的原料。水稻、小麥、玉米等主糧富含淀粉，這種淀粉是植物光合作用的產物，儲存著豐富的能量。這些富含淀粉的主糧可為人類提供生理活動所需的能量。此外，淀粉由于其獨特的理化性質，在食品加工中可作為增稠劑（醬料）、凝膠劑（果凍）、膨松劑（蛋糕）、保鮮劑（可食用薄膜）等。

二是作為化工行業的化學制劑。在造紙業中，淀粉可作為施膠劑，在紙張表面形成均勻的薄膜，填充紙張纖維的空隙，提升紙張的抗水性和表面強度。在紡織業中，淀粉可作為上漿劑，在紗線紡織前，使淀粉附著在紗線上，可形成保護膜，提升纖維強度和光滑度。此外，由于淀粉具有良好的生物可降解性，也常被用來制作環保可降解材料，減少傳統塑料制品對環境的危害。

三是作為醫藥行業的輔助成分。在片劑生產中，淀粉作為填充劑可使藥粉更易壓制成片。淀粉還能改善某些刺激性藥物的口感，使其更易被患者，特別是兒童患者所接受。淀粉的吸水膨脹性質也使其常作為藥品的崩解劑，當藥品進入胃腸道后，淀粉吸收水分膨脹使藥品崩解，釋放藥品有效成分，促進藥物的吸收。

用二氧化碳合成淀粉

目前，人們獲取的淀粉都是植物“辛辛苦苦”造出來的，可植物造淀粉的過程存在許多局限性，如效率低下、污染環境、占地面積廣等。因此，人們一直試圖在獲取淀粉上另辟蹊徑。2015年，中國科學院天津工業生物技術研究所科研團隊構建了C1、C3、C6、Cn四大模塊，只用11步就實現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。研究人員估算，按照目前的技術參數，在能量供給充足的條件下，1立方米的生物反應器年產淀粉量相當于5畝（1畝約為666.67平方米）土地玉米的淀粉平均年產量。

在用二氧化碳合成淀粉后，2025年4月，科研團隊還開發出了一條以乙酸為原料的低碳酵母細胞淀粉合成路徑，淀粉含量達到細胞干重的47.18%，淀粉時空生產效率約為農作物種植的50倍，體積生產效率則較其他微生物系統提升一個數量級。

人造淀粉的廣闊前景

除生產效率高、有利于糧食安全、助力環境保護、占地面積小等優點外，人造淀粉還能實現定制化生產。天然淀粉的結構和性能受植物品種限制，要滿足不同工業需求，往往需要復雜的后續加工。人造淀粉的最大優勢就是可以按需定制，通過調整反應中的酶種類、反應條件，就能合成出不同結構、不同性能的淀粉。

在生物醫藥領域，淀粉常被用作藥物載體（如膠囊外殼、緩釋劑），但天然淀粉的純度和粒徑難以控制，影響藥物釋放效果。人造淀粉可通過控制反應時間和酶濃度，合成出“單分散性淀粉粒”（粒徑均一、純度99%以上），這種淀粉作為藥物載體，能精準控制藥物的釋放速率，提高藥效、減少不良反應。

在食品工業中，淀粉常用于增稠、穩定、改善口感，但天然淀粉可能含有蛋白質、脂肪等雜質，需要額外提純。人造淀粉則可以實現“高純度合成”，不含任何雜質，且可以根據需求調整直鏈/支鏈比例。例如：合成高直鏈淀粉，用于制作低血糖生成指數食品，適合糖尿病患者食用；合成“低分支淀粉”，用于制作口感更細膩的冰激凌、酸奶。

人造淀粉何時能走進千家萬戶

當前，制約人造淀粉走出實驗室的主要障礙有3個。一是成本。人造淀粉生產需要多種酶，這些酶的制備成本目前很高，且很多酶在反應后會失活，無法重復使用。此外，人造淀粉需要的高濃度二氧化碳捕捉成本也較高，未來還需要進一步降低二氧化碳捕捉成本。二是從實驗室生產到規模化生產存在阻礙。實驗室的小體積反應很容易控制溫度、壓力、底物濃度，但放大到大型工業反應器時，會出現傳質不均、散熱困難等問題，導致反應效率大幅下降，甚至阻礙反應發生。三是公眾非理性認知。人們對人造的食物往往存在天然的恐懼心理，此前被傳得沸沸揚揚的轉基因食品的安全性就是一個例子。雖然人造淀粉在化學結構上與天然淀粉完全相同，但是要使人們克服對人造淀粉的非理性恐懼還有很長的路要走。

不過，正如唐詩《烏衣巷》中的名句所言“舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家”，隨著科技的進步和社會認知的改善，相信在不久的將來，人造淀粉這個“王謝堂前燕”，也會像化肥、雜交水稻一樣，“飛入尋常百姓家”，為人類文明的進步貢獻力量。

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