人工合成淀粉：开启能源与粮食新变革？

人工合成淀粉正改变我们对传统农业的认知。它不再依赖植物光合作用，以二氧化碳和氢气为原料生产淀粉，是重大突破性技术。

2021年9月24日，中科院天津工业生物所团队在《科学》发表论文，首次实现二氧化碳到淀粉的合成。构建11步主反应的合成途径，能量转化效率提升3.5倍，淀粉合成速率是玉米的8.5倍，使淀粉生产从农业种植转向工业车间生产成为可能。

自然与人工的效率对决

（一）自然光合作用的效率之谜

地球上，绿色植物通过光合作用这一神奇的过程，将太阳能转化为化学能，为整个生态系统提供了坚实的能量基础。然而，这一过程的效率却令人咋舌。以玉米为例，其实际光合效率仅在0.3% - 1%之间徘徊，即便是理论上的极限效率，C3植物也仅为4.6%，而C4植物稍高，达到6%。

自然光合作用效率为何有限？

过程复杂，能量散失：光合作用分为光反应和暗反应两个阶段，其中光反应阶段光能吸收转化过程中存在显著的能量散失。而暗反应则受到酶活性、温度以及二氧化碳浓度等多重环境因素的制约。例如，在高温干旱的条件下，植物为了自我保护会关闭气孔，导致二氧化碳供应不足，进而限制了光合作用的进行。

生存需求平衡：在自然进化的长河中，植物的光合作用机制并非单纯追求最高效率，而是在多种生存需求之间寻求平衡。这意味着，虽然光合作用对于植物的生长至关重要，但自然条件下的效率却存在着明显的局限性。

相比之下，人工合成淀粉技术在效率方面展现出了令人惊叹的优势。2021 年，人工合成淀粉的太阳能到淀粉的转化效率达到了 7%，这一数值是玉米实际效率的 3.5 倍 。到了 2024 年，人工合成淀粉的合成速率更是达到了玉米的 8.5 倍。

若将光伏发电（效率 20%）、电解水（效率 80%）以及合成反应（效率 60%）整合起来，形成全链条过程，人工合成淀粉的理论综合效率可高达约 9.6%。

在这个过程中，科研人员通过创新的技术手段，突破了自然光合作用的诸多限制。例如，利用高效的催化剂加速化学反应，精确控制反应条件，使得整个合成过程更加高效和可控。

对比项目

玉米光合作用

人工合成淀粉

太阳能转化效率（实际）

0.3% - 1%

7%（2021 年）

合成速率

/

8.5 倍于玉米（2024 年）

全链条理论综合效率

/

约 9.6%

尽管人工合成淀粉在理论效率上表现出色，但在实际生产中，能耗问题成为了其大规模应用的一大阻碍。目前，每公斤淀粉的生产需要消耗 70 度电 。

以当前市电均价 0.5 - 0.6 元 / 度来计算，生产 1 公斤淀粉的电费成本就高达 35 - 42 元。如此高昂的电力成本，使得人工合成淀粉在成本上远远高于传统农业生产的淀粉。

电费价格（元 / 度）

每公斤淀粉电费成本（元）

0.5

35

0.6

42

（二）成本制约下的发展瓶颈

人工合成淀粉面临高昂成本，总成本7 - 10元/公斤，是传统玉米淀粉的3倍。

能源成本

规模化挑战

技术迭代与优化

成本压缩

光伏成本下降

酶催化体系优化

反应器规模化

技术进步与优化有望降低人工合成淀粉成本，为大规模商业化应用打基础。

技术迭代时间

关键成果

2018 年

首次实现二氧化碳到淀粉的合成，构建 11 步主反应的固碳淀粉人工合成途径

2021 年

太阳能到淀粉的转化效率达到 7%，是玉米实际效率的 3.5 倍

2024 年

建成吨级中试装置，碳转化速率提升至自然界的 8.5 倍，新型电极设计使二氧化碳还原能量转换效率突破 20%