白糖,不仅是厨房里的调味品,更是维系国计民生的重要战略物资。数百年来,它的生产高度依赖于甘蔗和甜菜的种植,受限于土地、水源和气候。然而,近日中国科学院天津工业生物技术研究所的一项突破性研究,正为这一传统格局带来了颠覆性的变革。首次构建了体外生物转化系统,成功将甲醇–一种可由二氧化碳高效合成的“液态阳光”–转化为我们熟悉的蔗糖,为极端情况下糖业安全、实现碳中和开辟了一条全新的技术路径。
(中间有技术解码繁文,后有结论,请读完全文)
一、“人工造糖”
糖业的背后,是一笔关乎国家粮食安全的经济账和资源账。我国作为食糖消费大国,年消耗量超过1500万吨,而国内产量难以满足需求,每年需进口超过500万吨,对外依存度较高。传统的制糖农业,不仅需要占用大量宝贵的耕地,与粮食作物形成竞争,还消耗着巨大的水资源。
人类是否能摆脱对自然种植的依赖,将糖的生产从“田间”转变到“车间”。
科学家将目光投向了甲醇。甲醇作为一种简单的C1化合物,其来源极为广泛,既可从煤炭、天然气等化石资源中获取,也能通过工业废气中的二氧化碳进行催化合成。特别是后者,由中国科学院大连化物所等团队发展的二氧化碳加氢制甲醇技术,被誉为制造“液态阳光”,它能将温室气体变废为宝。
如果能打通从甲醇到糖分子的生物转化路径,就意味着我们能够构建一条不依赖土地、不与人争粮的全新制糖模式,其战略意义不言而喻。
二、 科学解码从甲醇到蔗糖的“分子生产线”

▲图1 体外转化非粮低碳原料合成蔗糖
▲图2 低碳合成直链淀粉研究结果
以上图片源自中国科学院官方微信。
正如图所揭示的,这项研究的核心在于设计并搭建了一条前所未有的“分子生产线”。研究团队摒弃了传统的细胞发酵模式,转而采用体外生物转化系统。这一“无细胞”系统,如同一个精密的生物反应器,其中仅包含完成特定催化任务所必需的多种酶。
其巧妙之处在于:
- 全新的合成路径:
研究人员没有模仿植物复杂的光合作用路径,而是设计了一条非天然的、更高效的蔗糖合成路线。从甲醇(C1)出发,通过一系列酶的催化接力,依次转化为甲醛、二羟基丙酮(DHA),再进一步合成为果糖-6-磷酸(F6P),最终与尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-glucose)反应生成蔗糖(C12)。 - 热力学优势与高效率:
这条人工设计的路径在能量消耗和反应步骤上具有显著优势(如上图所示)。通过对蔗糖合酶(Sucrose Synthase)等关键酶进行定向改造,其催化效率提升了3至71倍,突破了反应瓶颈。最终,系统实现了高达86%的甲醇到蔗糖的转化产率和5.7克/升/小时的合成速率,展示了其工业应用的巨大潜力。 - 过程可控性强:
体外系统避免了细胞内复杂的代谢网络干扰,使得整个过程的优化和调控更为直接、简单,产物纯度也更高。
三、 开启“人工糖世界”的大门
这项研究的价值远不止于合成蔗糖。它所构建的体外生物转化平台,更像一把打开“人工糖世界”的钥匙。正如图2 中所示,该平台具有极强的可扩展性。
通过更换或添加不同的酶模块,研究人员已经成功利用这一系统,从甲醇等低碳原料出发,合成了更多种类的糖及衍生物,例如:
- 淀粉(Starch, Cn):实现了无需引物即可从头合成淀粉,其合成速率优于此前报道的系统。
- 纤维寡糖(Cellooligosaccharides, Cn≥18):高效合成了聚合度更高的纤维寡糖,这类物质在食品、保健品和饲料领域具有重要应用价值。
- 其他功能糖:如蔗糖的同分异构体海藻糖、功能性单糖等,未来均有可能通过平台进行定制化合成。
这意味着,科学家们不仅能“人造”白糖,还能根据需求“设计”和“制造”自然界中含量稀少但功效独特的高附加值糖分子,为功能食品、生物医药和新材料领域带来无限可能。
四、 从“碳”到“糖”面临的挑战
从二氧化碳到甲醇,再从甲醇到蔗糖及更多糖类,科学家描绘出一条将温室气体直接转化为食物的完整技术蓝图。当然,从实验室的克级合成走向工业化的万吨级生产,需在持续的优化和攻关。
以云糖网小编浅薄的认知,从实验室走向工业应用和市场普及仍面临以下诸多挑战:
实验室条件下已实现14g/L的产物浓度,但工业化生产面临更严峻的挑战:
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体外酶系统在大规模反应器中的稳定性问题; -
长时间连续运行过程中酶活性的衰减; -
大型反应设备中的温度、pH值等条件均一性控制;
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酶的制备和纯化成本较高,特别是需要工程化改造的特殊酶; -
甲醇原料成本与传统种植甘蔗、甜菜的经济性对比; -
初期设备投入大,投资回收周期长,能源消耗(尤其是从CO₂到甲醇的转化过程)成本高;
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将CO₂捕获、甲醇合成和糖转化三个过程无缝衔接的难度; -
多酶系统中各组分之间的相互影响和干扰; -
反应中间产物的积累可能导致的抑制效应; -
辅因子(如ATP)的再生与循环利用效率;
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消费者对”人工合成糖”的心理接受度; -
食品安全监管机构对新型制糖技术的审批流程; -
市场教育和消费者认知转变的时间成本; -
与传统甘蔗种植、制糖产业可能存在冲突;
纵然,诸多的问题短时间不会改变现有格局,但是,毫无疑问,这项从“碳”到“糖”的突破,已经让我们看到了一个由生物科技驱动,更加绿色、高效和自主的未来。它预示着,人类获取基础物资的方式正在被重塑。
或许,一个全新的“人工糖世界”已然开启。