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引用 科学家打算用草养活全世界   

2013-04-20 21:12:27|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在一项新的研究中,研究人员找到了一种将纤维素转化为淀粉的新途径,后者是人类食物中最常见的碳水化合物。

 

科学探索 来源:中国科学报

 
 

来自非食用植物的纤维素或许能够转化为可食用的淀粉

 

  木材中的主要成分纤维素是地球上含量最丰富的有机化合物之一,并且是可再生能源的一种理想来源。如今,生物工程师指出,它还能够解决人类的温饱问题。在一项新的研究中,研究人员找到了一种将纤维素转化为淀粉的新途径,后者是人类食物中最常见的碳水化合物。

  乙醇是当今最常见的车用生物燃料。它的制取通常利用来自于农作物——例如玉米和甘蔗——中的糖分,有批评家认为这是对食物的一种浪费。至于纤维素,全球植物每年会形成多达1800亿吨的此类化合物。世界各国的公司都在争先恐后地利用那些来自无法食用的植物中的纤维素制造生物燃料——这些植物包括柳枝稷和杨树,它们都生长在需要少量水、肥料、除草剂和杀虫剂的贫瘠土地上。这些纤维素也可能来自农作物和木材工业的大量废料。例如,每吨收获的谷物通常都伴随着2到3吨富含纤维素的废料,并且大部分废料最终都被浪费了。

  如今,美国黑堡弗吉尼亚理工学院和州立大学的生物工艺工程师Y.-H. Percival Zhang表示,人们第一次找到了一种切实可行的方法,证明纤维素还可以让人吃饱。他将这一思路归功于自己的中国背景。Zhang说:“在中国近5000年的历史中,粮食安全一直是第一位的问题。”“没有足够的粮食,危机便会发生,朝代恐将更替。”

  Zhang及其同事将目光聚集在淀粉上,这种化合物构成了40%的人类食物。将纤维素转化为淀粉的想法起因于这两种化合物之间的相似性——纤维素由成千上百个葡萄糖分子构成,而淀粉化合物则是由葡萄糖以及糖按照不同的方式结合而成。

  为了实现这种转化,研究人员采集了一些源自细菌、土壤真菌和马铃薯的基因,并用其对大肠杆菌——这是一种不同的细菌,常被当做实验室模型——进行了基因修饰,从而最终得到了需要的酶。其中的一组酶能够将纤维素分解成更小的分子,而其他的酶则将这些成分转化为淀粉。研究人员随后在一个玻璃容器中将这些酶与纤维素混合在一起。

  与将纤维素完全分解为基础成分葡萄糖,再重新将其组装为淀粉不同,第一组酶首先将纤维素分解为纤维二糖,这是一种由一对葡萄糖分子构成的化合物。第二组酶随后将纤维二糖分解为一个常见的葡萄糖分子,以及一种名为G-1-P的分子,后者由一个葡萄糖分子与一个磷酸盐分子组成。这种G-1-P起到了构建直链淀粉的模块的作用。并未参与此项研究的帕萨迪纳市加利福尼亚理工学院生物工程师Frances Arnold表示:“这是一个简单而完美的想法。”

  研究人员在4月16日的美国《国家科学院院刊》网络版上报告说,迄今为止,这一过程能够将1/3的纤维素转化为淀粉。这种化合物在干燥后能够变成白色粉末,不但能够被添加到食物中,还可以制成透明、柔软的可生物降解塑料以及能够储氢的能源设备。Zhang和同事甚至尝了尝最终的产物——“一开始没味”,Zhang说,“在嚼了一会儿后,会感觉到淡淡的甜味”。

  剩余的纤维素则被转化为葡萄糖,后者能够制造成为生物燃料。Zhang说:“从纤维素得到的葡萄糖并没有被浪费。”

  但是尽管这一过程能够运转,价格却不菲。Zhang估计,考虑到他的研究团队所使用的酶的当前价格,将200千克纤维素原料转化为20千克淀粉——大约能够满足一个人80天的碳水化合物需求——大约需要100万美元。但是Zhang认为,经过5到10年的进一步研究,一些公司估计可以做到每人每天仅仅0.5美元的成本。“我们并没有看到将这一过程商业化存在什么大的障碍。”

  Zhang说,乐观地估计,全球每年大约有1000亿吨纤维素是可用的,“我们将能够得到45亿吨左右的淀粉,这差不多是目前谷物年产量(23亿吨)的两倍”。这将提供之前研究得出的在2050年养活全球人口所需粮食总量的30%。

  但并未参与该项研究的印第安纳州普渡大学西拉法叶校区的能源经济学家Wallace Tyner认为,目前仍然不确定的是这种做法在经济上是否可行。“我不是说这不行——只是不会这么早,并且在商业化的漫长过程中会存在许多未知的不确定性。”他说,“当新的工艺被引进时,这是常有的情况。”

  Arnold也承认,这一过程在经济上是否可行整体上“是一个大问题,但这并不是此类概念证明型研究能够回答的问题。我认为这篇论文证实了一个重要的转化和总体思路——这太酷了”。

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