【創科新視野】「二氧化碳造澱粉」搭建變廢為寶鏈條

陳曦 嶺南大學伍絜宜跨學科學院院長

碳達峰、碳中和的核心難題之一，是如何大規模地捕集二氧化碳，這麼多二氧化碳怎麼辦﹖能變成什麼產品﹖2021年，有中國科學家報道了在實驗室利用分步催化，將二氧化碳轉變為澱粉。當「二氧化碳人工合成澱粉」引起廣泛討論的時候，很多人腦子裏冒出同一個念頭：以後不用種地了，靠空氣就能造糧食？是不是以後喝「西北風」就可以吃飽了？

沒那麼簡單。但這件事也遠不只是一篇論文的熱鬧。四年多過去，它已經從一次實驗室的突破，悄悄變成了多條路線同時推進、持續節省成本並提升運作效率的工程探索。

實驗測試證實可行性

與其說是把「空氣變糧食」，不如說是一條分段接力的流水線：先把二氧化碳收集提純，再和氫氣一起在催化劑的作用下轉化成甲醇，最後交給精心篩選的酶，像搭積木一樣，一步步拼出糖和澱粉。

2021年那篇《科學》論文，亮點在於走通了最後這段理論通道——在無細胞體系中，二氧化碳合成澱粉的速率比玉米高出約8.5倍。這裏比的是玉米葉片裏的光合酶，不是一整塊農田的收成。但它說明了一件事：植物之外，人類也能在實驗室裏找到另一條造澱粉的路，而且化學上完全走得通。

2023年，同一支團隊用一系列快速、低能耗的酶促反應，把甲醇轉化成了蔗糖，轉化率達到86%，而且同一套方法改改就能用來生產果糖、澱粉等不同結構的糖。同年，另一條路線走的是微生物發酵方向——讓經過基因改造的酵母「吃」由二氧化碳轉來的乙酸，由細胞自己把糖攢出來，思路完全不同，而目標一樣。

2024年，有研究把太陽能發電、電催化和酶反應串聯成一套系統，把二氧化碳轉化成六碳糖，太陽能到食物的能量轉化效率達到3.5%，是天然光合作用的三倍以上。同樣一塊土地的陽光，理論上可以轉化成更多糖分產出。

2025年，加州大學伯克利團隊在《美國國家科學院院刊》上發表了新方案，電催化、光催化、有機催化三步接力，把二氧化碳經甲醇、甲醛逐步拼成四到六碳的糖，五碳和六碳糖的碳轉化率分別超過60%-80%和20%以上，全程不用生物酶，更容易做大規模。

到2026年初，天津工生所公布，新一輪測試的澱粉產量已比2021年高出10倍以上，團隊正朝着商業化方向努力探索。這還是工程階段的進展，不是已經能買到的產品，但至少說明問題已經從「到底能不能做」，變成了「怎麼做得更多、更便宜」。

如何走向規模產業化

最難的環節，往往不是最後那幾步，而是前面整條鏈，以及如何從實驗室走向規模產業化。

從空氣裏直接捕集二氧化碳，既費時，成本又高昂——空氣中二氧化碳濃度極低，想拿到足夠純的原料，要處理的空氣量大得驚人，成本至今壓不下來；把二氧化碳轉成甲醇得消耗大量綠氫，氫氣本身也貴；實驗室裏調出來的酶，搬到工廠裏連續運轉能不能撐住、能不能批量便宜地生產，都還是沒解決的問題。有研究者直說，要害之一就是怎麼在大規模、低成本的條件下讓酶保持穩定，以及反應器該怎麼設計。這幾道難關過不去，產業化就只能停在紙面上。

可以期待，但不要過分樂觀。目前，這樣天價的「西北風」還喝不起。就現階段而言，這條路線更可能先在小圈子的特定場景裏落地應用——例如醫療或食品工業所需的特殊糖類、飼料原料，或者太空站、極地基地這類無法依賴傳統農業的封閉環境——而不是直接替代糧食作物。要達至更廣泛的應用，成本、能源消耗、規模化等問題，都有待突破。雖然短期內喝「西北風」肯定吃不飽，但筆者相信，人類對科學技術的探索，包括對二氧化碳的有效空氣捕集以及催化轉化等基礎研究是不會停滯的。