青春華章 津彩綻放 | 他們，從空氣中“磨”出糖

在人類歷史的大部分時間里，糖都是奢侈品。它來自甘蔗、甜菜等自然作物，依賴陽光、土地和漫長的生長周期。

而在中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所（以下簡稱“天津工生所”）糖生物合成與綠色制造攻關(guān)團(tuán)隊的努力下，糖正在以一種近乎“魔法”的方式誕生：用二氧化碳當(dāng)原料，靠酶催化，就能實現(xiàn)二氧化碳到糖的精準(zhǔn)全合成，讓糖的獲取時長從“年”縮短到“小時”。近日，該團(tuán)隊被共青團(tuán)中央、全國青聯(lián)授予2026年度中國青年五四獎?wù)录w稱號。

2021年，天津工生所實現(xiàn)了從二氧化碳到淀粉的實驗室人工合成，一時轟動海內(nèi)外。“我當(dāng)時也深度參與了二氧化碳人工合成淀粉項目，取得成功后大家都覺得特別振奮，當(dāng)時就在想，能不能合成糖。”團(tuán)隊研究員楊建剛介紹，從十幾年前開始，團(tuán)隊就一直在做阿洛酮糖的生物制造技術(shù)研究，在人工合成糖方面積累了大量經(jīng)驗。

可自然界就有糖，為什么還要進(jìn)行人工合成？

“一方面是為了滿足國家戰(zhàn)略需求，目前我國每年糖消耗量在1500萬噸左右，其中有1/3依賴進(jìn)口，而且受人口增長、極端天氣頻發(fā)、土地短缺等因素影響，傳統(tǒng)糖制作加工方式面臨極大的風(fēng)險挑戰(zhàn)；另一方面是為了滿足產(chǎn)業(yè)需求，隨著健康意識增強，人們對糖也有了更高要求。”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人孫媛霞說，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為糖，還能消耗二氧化碳，積極響應(yīng)國家“雙碳”目標(biāo)，可謂“一舉多得”。

2021年，二氧化碳人工合成糖這一研究課題被提上日程，這支平均年齡不到35歲的年輕團(tuán)隊開始了攻堅之路。

想要實現(xiàn)二氧化碳人工合成糖，催化劑，也就是酶的選擇至關(guān)重要。

最開始，團(tuán)隊想通過搭建自然系統(tǒng)來尋找生物酶作為催化劑，但是嘗試了很長時間，發(fā)現(xiàn)行不通。后來，團(tuán)隊開始嘗試對這些酶元件進(jìn)行改造。

改造酶元件說來簡單，實際上非常困難。“因為即使經(jīng)過上百次改造，這個催化劑也可能沒有效果，或者是有了一點點效果，可又不穩(wěn)定。”團(tuán)隊成員劉銀路說。糖生物合成與綠色制造攻關(guān)團(tuán)隊成員每周都會聚在一起開組會，有問題及時溝通、互相鼓勁。“這個傳統(tǒng)，是從十幾年前開始研究阿洛酮糖那會兒傳下來的。那時候?qū)嶒灄l件差，失敗更多，但老一輩沒松過勁。現(xiàn)在條件好了，年輕人更不能松勁。”楊建剛說。

失敗，復(fù)盤，嘗試，再失敗，再復(fù)盤，再嘗試……這個循環(huán)不知道重復(fù)了多少遍。

終于，2023年迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。

一天深夜，在經(jīng)歷無數(shù)次實驗失敗之后，團(tuán)隊成員宋皖坐在實驗室又一次打開了液相色譜圖。他意外發(fā)現(xiàn)，某一副產(chǎn)物的峰被另一副產(chǎn)物的峰所掩蓋，兩者在液相色譜圖上的出峰時間差僅僅為0.1分鐘。

“在此之前，我們一直誤以為這是同一種副產(chǎn)物。”宋皖說。

瞬間，宋皖恍然大悟。正是前期對這0.1分鐘時間差的錯誤判斷，導(dǎo)致研究遲遲未能取得突破。也正是這“靈光一現(xiàn)”的發(fā)現(xiàn)，讓整個項目“守得云開見月明”。

解決了這一關(guān)鍵堵點，團(tuán)隊終于找出了最適宜的7個酶元件。

但此時，另一個難題又?jǐn)[在了團(tuán)隊面前——試管里的人工合成糖最初轉(zhuǎn)化率只有10%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

“轉(zhuǎn)化率是非常重要的一個指標(biāo)，過低的轉(zhuǎn)化率就意味著無法量產(chǎn)，而且成本過高，所以一定要把轉(zhuǎn)化率提上去。”孫媛霞和楊建剛帶著團(tuán)隊成員又一頭扎進(jìn)了研究之中。經(jīng)過反復(fù)實驗和改進(jìn)，2023年，團(tuán)隊將二氧化碳人工合成糖能量轉(zhuǎn)化率大大提高，達(dá)到了自然光合作用的3.5倍。2023年8月，這一成果發(fā)表在著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報》上。

除了高效之外，二氧化碳人工合成糖技術(shù)還有一個特點，那就是精準(zhǔn)。通過這項技術(shù)，人們可以精準(zhǔn)獲得葡萄糖、阿洛酮糖、塔格糖等己糖。

“己糖是自然界中分布最廣、數(shù)量也最豐富的單糖，比如葡萄糖，就是自然界中含量最多的己糖，也是生命結(jié)構(gòu)與貯能的重要物質(zhì)。”楊建剛解釋說，人體所需要的70%左右的能量由糖提供，每克葡萄糖在人體內(nèi)氧化能產(chǎn)生4000卡能量。

糖如此重要又能讓人產(chǎn)生愉悅感，卻讓糖尿病患者望而生畏。“正是因為這樣，人工精準(zhǔn)合成糖至關(guān)重要，”楊建剛說，“比如像阿洛酮糖，它的甜度約為蔗糖的70%，但熱量僅為蔗糖的0.3%到0.4%，還能幫助抑制餐后血糖上升、幫助促進(jìn)消化。但問題在于，它在自然界中含量極低，傳統(tǒng)提取方式成本高得驚人，現(xiàn)在通過人工合成，這些問題也就迎刃而解了。”

創(chuàng)新無止境，團(tuán)隊從未停下科研腳步。2025年，團(tuán)隊再次取得關(guān)鍵性突破：二氧化碳人工合成蔗糖，也就是我們最熟悉的白糖。2026年，他們又實現(xiàn)了二氧化碳人工合成糖醇。經(jīng)過幾年不懈努力，二氧化碳人工合成糖的轉(zhuǎn)化率較2023年相比又提升了4倍。

如今，團(tuán)隊已經(jīng)完成多項新食品原料材料申報，與多家企業(yè)開展合作，在天津、山東、河南等地建成多條千噸級、萬噸級生產(chǎn)線，加速技術(shù)成果轉(zhuǎn)化落地。

這支年輕團(tuán)隊之所以能把“空氣造糖”從幻想變成現(xiàn)實，離不開天津工生所這片適合青年人才成長的土壤。

“所里‘不唯論文、注重實效’的評價體系導(dǎo)向讓我們敢于做‘難而正確’的事。”楊建剛坦言，“如果沒有這種支持，所里不可能在阿洛酮糖上一磨就是十幾年，我們也不可能在二氧化碳人工合成糖技術(shù)上連續(xù)攻堅5年。”

未來，天津工生所將努力搭建一個成熟的二氧化碳人工合成糖平臺系統(tǒng)，針對人們需求，精準(zhǔn)合成更多類型的糖，讓更多人吃上更經(jīng)濟(jì)實惠的健康糖。