利用二氧化碳製造熱量
中國研究人員大幅提升了將工業廢氣轉化為可食用澱粉的製程效率，產能達到 2021 年突破性方法的十倍。中國科學院（CAS）公布這項進展，讓不依賴農地、作物或傳統農業的工業規模澱粉生產更進一步。天津工業生物技術研究所（TIB）的科學家改良了無細胞酵素系統，將二氧化碳轉化為複合碳水化合物的速度，如今已遠勝天然光合作用。這項發展可能為全球糧食安全帶來典範轉移，提供生產重要食品原料與工業原料的途徑，同時避開傳統農業造成的環境成本。
由蔡濤教授領導的研究團隊，過去五年來持續最佳化這條化學與生化混合路徑；團隊最初於《Science》期刊發表這項技術。2021 年的突破首次證明，利用二氧化碳合成澱粉的速率可達玉米植株的 8.5 倍。最新改良又將產量提高十倍，使系統的效率達到過去僅停留在理論推測的水準。這條人工澱粉合成代謝路徑（ASAP）如今已準備挑戰主導人類文明數千年的農業現狀。
合成光合作用的化學原理
這項製程模仿自然機制，同時排除植物生長固有的生物效率限制。不必等待玉米成熟數月，實驗室方法只需數小時就能完成轉化。這條路徑由十一個核心反應構成，透過精密協調的一系列化學與酵素步驟，將氣態二氧化碳轉化為聚合澱粉。
首先，無機催化劑在受控條件下將二氧化碳還原為甲醇。接著，這種簡單分子成為一連串酵素反應的基礎原料。研究團隊從三十一種物種中取得並改造酵素，挑選及修改六十二種候選酵素，找出十種最有效的催化劑。這些生物機器將甲醇轉化為三碳與六碳糖單位，再聚合成直鏈澱粉或支鏈澱粉，也就是天然澱粉的兩種主要成分。
合成澱粉在化學與物理性質上都與農業生產的澱粉相同。實驗室分析確認兩者的組成與特性一致，代表人工產品可直接取代食品、藥品、造紙、紡織、黏著劑與可生物分解塑膠所使用的玉米澱粉。這種方法也能客製澱粉組成，可能製造出消化速率或功能特性各異、符合工業需求的品種。
從實驗室走向工廠
要將實驗室成果轉化為商業可行的技術，所面臨的挑戰甚至超過科學突破本身。蔡濤教授接受《中國科學報》訪問時坦言，擴大規模並不容易；從概念驗證走向工業應用，必須克服重大的經濟障礙。
從零到一很難，降低成本很難，最終實現工業應用更難。儘管如此，我們仍必須迎接挑戰。
主要障礙在於酵素成本。在 2021 年的原始系統中，一種關鍵酵素就占了所有材料成本的一半。團隊正全力改善這項瓶頸，利用人工智慧篩選更穩定、更有效率的酵素變體，同時開發讓生物催化劑重複使用的方法。這些改良大幅降低所需酵素用量，並維持反應效率。
研究人員也最佳化反應條件，以大幅降低能源成本。製程在受控的實驗室條件下運作，產量可預測，不受天氣、季節或氣候變化影響。這與農業生產形成鮮明對比，後者的年產量可能因乾旱、洪水與病蟲害而大幅減損。
重新定義農業經濟
這項技術可能節省的資源，不只體現在效率指標上。根據 TIB 團隊的計算，一座體積一立方公尺的生物反應器，理論上可生產相當於約三分之一公頃玉米田年產量的澱粉。若能將生產成本降至足以與傳統農業競爭的水準，這項技術可望免除目前澱粉生產所需耕地與淡水資源的九成以上。
土地利用方式的轉變，將對全球農業帶來深遠影響。目前，工業澱粉生產幾乎完全依賴玉米；這種作物需要大片可耕地、大量灌溉，並須密集施用肥料與農藥。隨著全球人口增加、氣候變遷威脅農作物產量，糧食作物與工業原料作物爭用有限農地的情況日益加劇。
TIB 創所所長馬延和在 2021 年的一份聲明中闡述這項研究的願景，至今仍切合時勢。他指出，工業化既是計畫最初的理想，也是最終目標；即使研發過程遭遇困難，團隊也不會放棄。
從碳循環的角度來看，這項技術的環境效益更為顯著。製程不是將二氧化碳排入大氣，而是將其作為原料消耗。若使用再生電力供能，系統可望實現負碳排澱粉生產，在製造有價商品的同時，主動移除大氣中的溫室氣體。該團隊於 2023 年在《Science Bulletin》發表的研究顯示，與天然植物系統相比，這套系統的能源效率高出 3.5 倍，合成速率則快 23 倍。
替代生物途徑
酵素方法雖然備受矚目，平行研究也證明，二氧化碳轉化為澱粉還有其他可行途徑。科學家已開發另一種方法，利用經基因工程改造的酵母，特別是產油酵母菌株 Yarrowia lipolytica，生產研究人員所稱的「富含澱粉的微型穀粒」。
這種生物方法重新設計酵母的代謝機制，使其累積的澱粉可達細胞乾重的 47%。研究人員透過重新調整澱粉生合成與糖質新生途徑，並改變細胞形態以增加體積，讓單位空間與時間的產率約為傳統作物栽培的五十倍。酵母方法使用醋酸；醋酸可利用再生電力由二氧化碳電合成，形成另一種負碳排食品生產途徑。
經基因工程改造的酵母可與醋酸搭配使用，消耗稻草等農業廢棄物，提供將纖維素轉化為可食用澱粉的途徑。這項能力也能回應另一項農業挑戰：作物殘渣未獲充分利用。酵素與微生物方法雖然原理不同，卻有共同目標，也就是讓食品生產脫離對傳統農業的依賴。
中國國情與全球影響
中國投入合成澱粉技術，反映出國內迫切的壓力。中國必須以有限的人均農地與水資源，養活全球人口最多的國家。肥料生產、農業機具燃料消耗、水稻種植排放甲烷，以及耗能的灌溉系統，都使農業活動成為中國碳排放的重要來源。
2005 年至 2021 年的近期數據顯示，中國推動雙層級農業管理，結合規模較大的農地經營與共享專業服務，在維持產量的同時降低碳排強度。然而，氣候變遷加劇、可耕地退化之際，這些改善或許仍不足夠。合成澱粉可作為互補策略，在滿足工業碳水化合物需求的同時，釋出數百萬公頃土地，用於生態復育或糧食作物栽種。
這項技術也符合中國更廣泛的能源轉型方向。隨著中國擴大再生電力發電、降低電力部門排放，潔淨能源供應增加，使碳捕捉與利用技術越來越可行。二氧化碳轉化為澱粉的製程需要投入能源，尤其是最初將二氧化碳轉化為甲醇，以及透過水電解製氫所需的能源。若使用太陽能或風能供電，系統便能將電能儲存在化學鍵中，形成以食品為基礎的能源儲存方式。
重點摘要
- 天津工業生物技術研究所的中國科學家，將二氧化碳轉化為澱粉的產率提高至 2021 年突破性方法的十倍。
- 這項人工製程透過十一個酵素步驟將二氧化碳轉化為與農業產品相同的澱粉，速度目前約為玉米天然合成澱粉的 85 倍。
- 一座體積一立方公尺的生物反應器，理論上可達到三分之一公頃玉米田的年澱粉產量，並可能節省傳統澱粉生產所用土地與水資源的九成以上。
- 研究團隊正利用人工智慧最佳化酵素、降低成本，以克服商業化工業應用的主要障礙。
- 另一項利用基因工程改造酵母的平行研究，提供了不同的生物途徑，其單位空間產率是作物栽培的五十倍，並以電合成醋酸作為原料。
- 這項技術可望降低農業碳排放，消除糧食作物與工業作物爭用農地的情況，並在使用再生能源供電時，提供負碳排的製造途徑。
