西北风真的可以喝了！空气提取淀粉的背后，隐藏着什么样的原理？-中国健康

西北风真的可以喝了！空气提取淀粉的背后，隐藏着什么样的原理？

更新时间:2022-03-04

通过光合作用，植物可以把从阳光里获取的能量储存在淀粉里。于是人类便可以通过食用植物来获取其中的淀粉，来获取能量以维持生命。现如今，人们竟然可以从空气中提取淀粉。这背后是什么原理？这种淀粉可不可以替代植物淀粉制作成馒头呢？

2021年9月，中科院发布了一项重要的研究结果，他们通过人工合成的方式把空气里的二氧化碳合成了淀粉。消息一出，就被媒体大众疯狂转发。有人看到这个消息调侃说，这要是真的以后喝西北风可以活就成真了。同时，中科院也收到了很多科研机构、投资机构以及国外的一些投资机构、大型企业发来的合作邀请。可以说是，研究所的门槛都要被踩烂了。这足以说明，这项技术对人类社会发展的影响之大。

从空气中提取淀粉，从另一个角度来说可以算是人类应该习以为常的事，因为植物就是通过吸收空气中的二氧化碳进行光合作用产生淀粉。更为通俗的说法就是，我们现在的食物，不论是馒头还是米、面、油等都是来源于植物的光合作用，也就是把空气中的二氧化碳固定下来后，变成淀粉、碳水化合物、蛋白质或者脂肪。

也就是说，所谓的人工合成二氧化碳只是省去了光合作用这个环节，绕开植物这个母体，用其它能量形式通过工业手段来固定二氧化碳，使其形成有机碳，然后有机碳进一步形成长链淀粉分子，来完成产生淀粉这一过程。这一过程完全颠覆了以农业庄稼、植物为载体的淀粉生产形式，所以才会引起众人的震惊。

可为什么我们需要省去光合作用这一步骤呢？因为会受到很多因素的限制。

最大的限制因素就是，植物对光能的利用效率是很低的。理论上植物对光合作用的利用率可以达到百分之二，但事实上也就达到了大约百分之零点六和百分之零点七。并且，光合作用只有在白天有阳光的时候才能进行，晚上植物则需要进行呼吸，这样一来白天固定下来的碳或者这个糖，就会在晚上被消耗掉一部分。

此外，影响光合作用或者是农业生产的因素还有很多，比如说温度、气候变化、旱涝等等。

为解决这些外界的限制因素，国际上的农业科学家们在很早之前就做多很多类似从空气中提起淀粉的尝试，他们试图把二氧化碳通过不同的能量，变成甲酸、甲醛、甲醇、一碳化合物甚至是乙醇、乙酸、二碳化合物这类简单的化学品，并且已经有科学家成功完成过这些实验。

但是面对淀粉大分子长分子的合成，国际上一直没有人可以实现突破。美国NASA（美国国家航空航天局）在2018年的时候，就发布过一个“百年挑战计划”，他们称要从二氧化碳出发来合成葡萄糖（葡萄糖就是淀粉的基本组成单元）。不过到现在为止，美国方面还没有攻克这个难题，目前还没有人完全连贯地合成过复杂的淀粉长链。

因为植物利用光合作用来合成淀粉这个过程，是步骤繁多非常复杂的，尤其是控制植物最终合成的物质特别复杂。因为，植物在生长过程中除了要合成淀粉以外，还要合成蛋白质、脂肪、秸秆、纤维素、植株等等这些东西。虽然我们对这一过程非常清楚，但是对植物如何分配每样物质的生产比例，还不是特别了解。这就像是一条满水的大河，被分成若干条小河以后，每条小河里的水就会比较少。所以说，最终用来合成淀粉的物质就少了。

中科院的研究，就是利用人工挖出一条路，让水只从这条路流过，也就是让所有的材料都只合成淀粉。植物进化不是为了让人食用，而是为了自己能够生存。它们并不是只生产人类需要的东西，但因为他们想要生存下来，所以就必须生产人类需要的产物。如果把这一生产过程转移到实验室、发酵罐，就可以通过人工设计，定向地只生产淀粉。那么当这一生产过程变得简单、有效、快速时，生产效率就会成倍地甚至几十倍上百倍地高起来。

人工合成淀粉和植物的光合作用相似，都是利用的太阳能、二氧化碳和水，只不过反应场所从植物体内换成了反应罐里。太阳的工作主要是制造氢气，氢气和二氧化碳在催化作用下，形成一种拥有一个碳分子的化合物，接下来就是一个堆积木的过程。生物酶把一碳化合物催化成三碳化合物，然后三碳化合物聚合成六碳化合物，最后很多六碳化合物手拉手连在一起，就变成了我们想要的淀粉。

从原料加进去，到反应完成制作出淀粉，完成一个周期大概需要四个小时。相对于农业种植的周期来讲，这个周期很短效率很高。按照合成效率来讲，大概一个立方的体积的反应罐，一年合成淀粉的常量，相当于我国五亩土地的玉米产量。目前人工合成淀粉技术中，太阳能的转化率是百分之七，比植物的转化率高3.5倍。

虽然生产过程相似，但是这种在反应罐里合成的淀粉和植物生成的淀粉还是有区别的。目前实验室里做出来的淀粉基本上还是直链淀粉，就是像珍珠项链一样，一个珠子一个珠子一个糖一个糖地串起来，这样形成的淀粉链是直的。植物自然合成的淀粉链，是各种分支交叉的，这种分支上再有分支的形式是非常复杂的。但是，二者在分子结构上是一致的，不同的是分子的排列方式，因此在特新上也有区别。

空气中提取的淀粉，是可以用来当做食物吃的，但是它只是用来提供一部分的能量，味道不如植物中提取的淀粉产物。

因为食物的味道品质不是由淀粉自身来决定的，比如说常见的馒头。制作馒头的面粉里含有一种叫麦谷蛋白的物质，这个麦谷蛋白可不是我们常见的机蛋里的蛋白或者说牛乃里的蛋白。麦谷蛋白的种类很多有上百种，不同的麦谷蛋白在我们加水和面过程中就会形成面筋，不同种类麦谷蛋白含量的高或者低，会直接决定面团的柔软程度和延展新，也就是说决定做馒头前面团能否发起来。

有做饭经验的人都会知道，发不起来的面团做出来的馒头非常难吃，也就是我们常说的死面馒头。

做面包、做面条、做饺子时对面粉的要求都不同，其实就是对面粉里麦谷蛋白存在的比例或者成分要求不同。这也就是为什么，人工合成的淀粉的可食用新，和植物淀粉相比有很大的差距。

淀粉除了食用，也是工业上主要使用的原料之一。在医要行业，制作绷带、胶囊、酒经都离不开淀粉。在建筑业，淀粉同样是不可或缺的存在，隔音板、壁纸以及涂料，里面都有淀粉的存在。除此之外，淀粉在食品、日化、印刷、纺织，造纸等各个工业领域，也有着广泛的用途。从相关统计来看，目前我国对工业淀粉的需求量在2800万吨左右。这些淀粉都要从粮食中获取，因此我国每年还要大量进口淀粉。

现如今，人工合成淀粉的诞生，缩短了淀粉的生产周期提高了产量。如果这项技术可以推广开来，对我国粮食生产和工业产业发展有着重要的意义。当然，人工合成的淀粉也可以被用来应对一些特殊请况，比如在特大的干旱和洪涝时，农业来不及完成种植，那么就可以利用人工合成技术来弥补不足。这项技术还可以用来进行星际旅行，只需要带上催化剂装置就可以在充满二氧化碳的星球上，满足人们最基本的生存需求。

既然人工淀粉有这么多好处吗，为何还不能够量产并投入使用？

现在淀粉在市场上的售价也就两三块钱，合成伦工淀粉的成本过高，因此并没有大规模投入使用。成本主要在于能量的供给上，现在利用太阳能来电解水形成氢，制作大概一公斤的淀粉，理论上需要26度（千瓦时）电，这个电费是很高的。对二氧化碳的需求，大概是1:1.6的比例，也就是说1.6吨碳才可以产出1吨淀粉。此外人工合成淀粉的成本还包括制作酶催化剂的成本、使用到的装备的成本。不过，这方面的成本暂时没有具体的数据，因为这项技术还未大规模使用，目前只是在实验室进行小规模研究。

除了成本外，在技术上也面临着一些瓶颈。首先是核心的酶催化剂，它不仅稳定新不好成本也高。因为生物催化剂、酶催化剂和化学催化剂不太一样，它的热稳定新不高，容易失活（具有生物学活新的物质丧失生物活新的现象，也指催化剂失去了催化作用。）所以需要进一步地提高酶蛋白的活新和稳定新。另外，人工合成淀粉的技术还是化学催化和生物催化的一个结合。这两个结合在一起，在工程化地实现上，还存在着很多挑战。要解决这些问题，大概还需要十年的时间。