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新型生物技术使任何植物都可变成食物来源

时间: 2013年04月28日 | 作者: | 来源: 环球科学
日前,弗吉尼亚理工大学的研究团队成功把纤维素转化为淀粉,这一过程可能从那些传统上不被认为是粮食的植物中获取营养物质。

 

    该研究由张以恒(Y.H. Percival Zhang)领导,他是农业与生命科学学院及工程学院的生物系统工程学副教授。预计到2050年,地球人口将突破90亿,而淀粉是人类食物中最重要的成分之一,提供了日常摄入热量的20%~40%。张教授带领的研究团队或将帮助解决全球所有人口今后的温饱问题。

    该研究的成果本周已在《美国国家科学院院报》(PNAS)的预览版上发表。

    纤维素是植物细胞壁的重要组成物质,也是地球上最普遍的碳水化合物。这项新技术打开了一扇可以用任何植物制造食物的大门,以此减少对粮食作物的需求,进而减少种植作物所需的土地资源、肥料、杀虫剂和大量的灌溉用水。张教授的研究团队制备的是直链淀粉,这种线型淀粉在消化过程中不会被降解,是食用纤维的优质来源。已有研究证明,直链淀粉能降低肥胖和糖尿病的患病风险。

    这一发现有望在许多方面得到应用,而不仅是粮食系统。

    “除了作为食物来源,淀粉还能制造可食用且可生物降解的透明保鲜膜,用于食品包装,”张教授表示。“它甚至可以作为高密度氢气的存储载体,这样可以解决氢气储存和配送的问题。”

    张教授等人使用了一种全新的加工方法,其中包括采用级联酶将纤维素转化成直链淀粉。

    “纤维素和淀粉具有相同的化学式,”张教授说。不同的只是化学键。我们的想法是用酶级联反应使纤维素的化学键断裂,然后重新组合为淀粉。”

    新方法从非食品的植物(如玉米秸秆,即玉米收获后留下的茎、叶及外皮)中提取纤维素,将其中约30%转换成直链淀粉,其余的水解成葡萄糖,生产乙醇。而且,这一过程对任何植物纤维素都奏效。

    这种生物过程被称为“酶法生物转化与微生物发酵同步法”(simultaneous enzymatic biotransformation and microbial fermentation),很容易进行工业性大规模生产。并且,该过程对环境无害,因为它不需要昂贵的设备,高温加热或化学试剂,不会产生任何废物。反应中关键的酶会固定在磁性纳米粒子上,反应结束后可以很容易地用磁场回收。

    张教授设计了这项实验,构想了“纤维素—淀粉转化”的新概念。他与弗吉尼亚理工大学的访问学者亨基·陈(Hongge Chen)是纤维素—淀粉生物转化过程的发明者。目前,这项发明正在进行临时专利申请。弗吉尼亚理工大学的中国博士后游春(Chun You)同张教授一起完成了大部分的研究工作。

    研究由弗吉尼亚理工大学生物系统工程部资助。额外的研究资源由弗吉尼亚理工大学农业与生命科学学院的生物设计与生物过程研究中心(Biodesign and Bioprocessing Research Center)、壳牌GameChanger计划(Shell GameChanger Program)、美国能源部生物能源科学中心(U.S. Department of Energy BioEnergy Science Center)以及能源部中化学、基因科学、生物科学分部、基础能源办公室提供。亨基·陈的部分研究资金还来自中国留学基金管理委员会的支持。

 

(环球科学 张文韬 薛嵩 编译)