二氧化碳合成蛋白質(zhì)？“喝西北風”管飽

圖蟲創(chuàng)意

“喝西北風”這個俗語相信大家都不陌生。它一般指人窮得沒東西吃。不過未來，這句俗語的意思可能得改改了，因為“喝西北風”真的能管飽。

我們在上生物課時學過，植物能通過光合作用把空氣中的二氧化碳和水變成淀粉。那么，二氧化碳也能合成蛋白質(zhì)嗎？那時候老師可沒說二氧化碳也能合成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)，大家都知道，那是生命的重要基礎(chǔ)，它具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能。把二氧化碳變成蛋白質(zhì)，靠譜嗎？

有報道稱，芬蘭一家工廠已經(jīng)開始用二氧化碳生產(chǎn)蛋白質(zhì)，并且年產(chǎn)量達到了160噸之多。160噸是什么概念？這就相當于2285萬枚雞蛋（一枚雞蛋中蛋白質(zhì)含量約為7克），或者5333噸牛奶（蛋白質(zhì)含量約為3%）。如果按照每人每天需要80克蛋白質(zhì)計算，這產(chǎn)量足夠5500人吃上一年。

聽著很新鮮，喝西北風就能管飽。我國也在進行相關(guān)研究。2021年9月中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所首次實現(xiàn)了二氧化碳到淀粉的人工合成，同年中國農(nóng)業(yè)科學院飼料研究所也宣布用含有一氧化碳、二氧化碳的工業(yè)尾氣和氨水為主要原料,制造出新型飼料蛋白資源乙醇梭菌蛋白。

說這么熱鬧，這二氧化碳究竟是怎么合成的蛋白質(zhì)呢？

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但是主要是由碳、氫、氧、氮，以及少量硫、磷等元素組成。其中量最大的就當屬碳和氧兩種元素，而二氧化碳恰好就是由這兩種元素組成。通過電解水獲取一定的氫和氧，基本原料就差不多了。

然后，把這些原料統(tǒng)統(tǒng)加入到發(fā)酵罐里，配上特定的發(fā)酵細菌，比如固氮氫細菌、乙醇梭菌等，剩下的就交給時間了，整個過程有點類似于啤酒發(fā)酵。

不過通過這種方法獲得是一種包含蛋白質(zhì)的混合物，其中蛋白質(zhì)大概能占到60%-80%。將這種混合物反復(fù)分離純化，就能獲得蛋白質(zhì)干粉了。

你可能會問：這種方法的優(yōu)勢在哪？獲得的蛋白質(zhì)和我們平常吃的蛋白質(zhì)是一樣的東西嗎？

先說優(yōu)勢。第一個優(yōu)點是生產(chǎn)效率高。

和傳統(tǒng)通過種植、飼養(yǎng)獲得蛋白質(zhì)的方式相比，二氧化碳合成蛋白質(zhì)的生產(chǎn)效率能提高300-2000倍。這主要是因為微生物的生長繁殖速率快，能極大縮短生產(chǎn)周期。

第二個優(yōu)點是轉(zhuǎn)化效率高。

此前，中國農(nóng)業(yè)科學院飼料所，突破了乙醇梭菌蛋白制備核心關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了一碳氣體一步生物合成蛋白質(zhì)收率最高85%的重大成果。比植物光合作用的轉(zhuǎn)化效率高了近10倍。也就是說，消耗兩噸二氧化碳，大概能生產(chǎn)將近一噸的蛋白質(zhì)。

第三個優(yōu)點是環(huán)保。

目前，我們獲取蛋白質(zhì)主要通過種植和飼養(yǎng)。這兩種方式都需要消耗大量的土地、化石燃料、肥料、農(nóng)藥和水。傳統(tǒng)蛋白質(zhì)的生產(chǎn)過程不僅會釋放大量二氧化碳，加劇溫室效應(yīng)，還會造成環(huán)境污染。

而通過二氧化碳合成蛋白質(zhì)不僅可以消耗二氧化碳，而且對能量需求更少。整個過程算下來，理論上，碳排放不足傳統(tǒng)方式的百分之一。

當然，還有個優(yōu)點咱必須也得提一下，那就是它的原料來源更加廣泛。

除了空氣中的二氧化碳外，秸稈、蔗渣、甜菜渣等農(nóng)業(yè)廢物，以及工業(yè)廢物、工農(nóng)業(yè)廢水、以及原油、柴油、產(chǎn)生的廢氣統(tǒng)統(tǒng)都可以用來當做發(fā)酵原料。剛剛提到的農(nóng)科院團隊就利用工業(yè)尾氣，實現(xiàn)了年產(chǎn)5000噸蛋白質(zhì)用于飼料。

目前，僅有少數(shù)國家批準了可以將“空氣蛋白”用于生產(chǎn)食物，比如新加坡已經(jīng)將其做成了冰淇淋。

單純從營養(yǎng)學角度來看，“空氣蛋白”和我們現(xiàn)在吃的食物中的蛋白質(zhì)差別并不大。但是，口感上有一定的差異。不過在未來，咱們還可以通過改變發(fā)酵細菌的種屬和基因來調(diào)整蛋白質(zhì)中氨基酸的構(gòu)成，滿足不同人群的需求。

目前，二氧化碳合成蛋白質(zhì)技術(shù)還需要進一步完善，離真正大規(guī)模應(yīng)用還有很長的路要走。不過，這種技術(shù)不再受土地、環(huán)境、降雨和溫度的限制，只要有能源，在任何地方都可以制造蛋白質(zhì)。

二氧化碳合成蛋白質(zhì)技術(shù)可以作為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的有效補充，緩解糧食危機。還能豐富食物種類，生產(chǎn)出人造肉、人造牛奶、植物基食品等新興食物。除此之外，“二氧化碳蛋白質(zhì)”還能應(yīng)用于醫(yī)藥工業(yè)、畜牧業(yè)以及航天等領(lǐng)域。尤其是航天。這種技術(shù)能為人類的太空計劃提供食物基礎(chǔ)。試想一下，在火星的大氣層中最不缺的就是二氧化碳，比例高達95%，再加上充足的太陽能，就可以為火星移民提供必需的蛋白質(zhì)。此外，有了這項技術(shù)，未來在您遨游太空，欣賞宇宙浩瀚美景時，還能隨時享用飛船上生產(chǎn)的“新鮮”漢堡、麻婆豆腐，那將是多么美妙的生活。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：張宇 營養(yǎng)學博士

審核：宋弋 中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院 副教授

審核：梁前進 北京師范大學生命科學學院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司