新型生物技术将非可食性生物质转变为淀粉

2013-5-02 10:10 来源: 生物探索
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  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%。这一技术也许可以帮助解决全球在未来面临的食物、生物燃料及环境三重难题。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。