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“多酶分子机器把不可食用的纤维素转化为可食用的淀粉，根本性解决粮食来源问题，1克纤维素可转为0.93克淀粉。” 张以恒研究员告诉DT新材料产业研究院。

院士评语

中国科学院院士邓子新评论道：“纤维素变淀粉的全碳素合成是体外合成生物学的新突破，摆脱传统微生物代谢束缚，成功实现了超高得率糖苷键重排。”

华东师范大学校长、中国工程院院士钱旭红评价该成果：“具有技术流程上的开创性，是工程科学前沿的重大进展。”

西湖大学讲席教授、德国工程院院士曾安平评价：“这项突破性工作为利用生物质生产淀粉开辟了新路径，在应对粮食安全和实现非粮生物制造方面具有巨大潜力。”

全球陆生植物利用光合作用每年生产大约2000亿吨木质纤维素（约含800亿吨纤维素），这些木质纤维素在自然界循环与转化。现代农业全年粮食产量大约 30 亿吨。中国 2024 年进口淀粉类粮食 ~2640 万吨与大约1亿吨大豆，耕地红线与国际形势仍制约粮食安全。

近日，中国科学院天津工业生物技术研究所张以恒研究员团队，在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表的最新研究中，用一套 “多酶分子机器” 实现纤维素到淀粉 93.3% 的实际转化率——从原先天花板的理论产率50% ，拉至近100%的实战水平。

这项被邓子新院士称为 “摆脱传统微生物代谢束缚” 的技术，不仅是实验室的原始创新，更在河南新拓洋、国投生物的中试线中推进，让 “秸秆变粮” 从实验室走向工厂。

「DT新材料」产业研究院生物基和生物制造团队独家专访张以恒研究员，他详细介绍了纤维素体外生物转化制淀粉方面的最新研究成果。

张以恒本硕毕业于华东理工大学，随后赴美攻读化学工程博士，曾任美国弗吉尼亚理工大学终身正教授，于2021年回国，现任中国科学院天津工业生物技术研究所研究员、低碳合成工程生物学全国重点实验室主任、体外合成生物学中心主任。

张以恒主任是公认的全球体外合成生物学奠基人之一，他首次提出了体外生物转化（in vitro BioTransformation, ivBT）概念，并利用该技术平台成功实现肌醇等高值分子的大规模产业化。

01

粮食困局：

6亿吨秸秆浪费与超亿吨进口粮并存

“粮食安全是大问题。但是跳出传统农业框架，我们可以将粮食安全变为能源问题的子问题，有能源就有粮食。工业化生产新粮食就是革命性技术方案，现在核心技术挑战是把不可食用的纤维素（足够多）变成能吃的淀粉，从根本上解决粮食来源问题。

如果有稳定、低成本的新淀粉供给，工业生物技术可进一步将其高效转化为蛋白质与氨基酸，降低对进口大豆蛋白的依赖，增强我国粮食系统的自主可控性。”专访伊始，张以恒研究员直击当前中国粮食安全的核心痛点——生物能量来源。

2024 年，我国累计进口粮食 1.58 亿吨，其中玉米、小麦、稻米三大淀粉类粮食进口量达 2640 万吨与大约1亿吨大豆，“靠天吃饭 + 进口依赖” 的模式难以根本性破局。

而另一面，我国每年可收集秸秆资源大约9 亿吨，其中6亿吨已经被低价值利用了，主要是还田、牛羊饲料与发电。秸秆资源中纤维素占比 30%~50%。

“全球陆生植物每年产 800 亿吨纤维素，是人类粮食产量的 26 倍 —— 只要利用 4%，就能再造一个现有农业规模。” 张以恒算了一笔账：6 亿吨秸秆若全转化，可产 3.6 亿吨淀粉，相当于新增 8 亿亩高标准农田。

但长期以来，纤维素因 β-1,4 糖苷键的 “顽固结构”，始终是 “看得见吃不着” 的资源。传统技术已有产业化案例，但 “5 吨小麦秸秆产 1 吨乙醇” ，成本还是太高。大家都喊 ‘全糖利用’，却把最值钱的半纤维素转化放在纤维素之后，反而造成副产物有毒、成本高企。

02

技术破局：

从 50% 到 近100%，ivBT+多酶分子机器“捞回”被浪费的葡萄糖

在张以恒团队的研究发表前，纤维素体外生物转化（ivBT）制淀粉的理论得率， 50%是天花板。“以前的路径是纤维素→纤维二糖→葡萄糖 + 1-磷酸葡萄糖，只有1-磷酸葡萄糖能合成淀粉，另一半葡萄糖要么排掉，要么继续做乙醇、微生物蛋白，得率自然上不去。”

突破的关键，是一套 “能量循环” 的全新设计。“我们相当于给浪费的葡萄糖装了‘回收系统’。” 张以恒形象地解释：通过新增葡萄糖活化步骤，将原本废弃的葡萄糖重新磷酸化，再用七酶系统（CBP、PPGK、PGM、AGP、SS、PPK、PPA）实现 β-1,4 糖苷键到 α-1,4 糖苷键的 “定向重排”，让所有葡萄糖单元 “一个不落” 地合成淀粉，使得淀粉的理论产率天花板从50%，提升到100%。

最艰难的战斗，发生在酶元件的 “筛选与调试” 阶段。团队最初用四种酶组成分子机器，结果发现 “作为多种酶激活剂的Mg²⁺浓度一高，某种关键的酶就‘罢工’。” 张以恒回忆，团队花了 6 个月构建 46 个 AGP 同源蛋白的系统发育树，最终挑出对于Mg²⁺ 不敏感的TmAGP 酶，“它的净负电荷最高，分子动力学模拟显示 Mg²⁺对它的结构影响最小，试了 20 多次浓度梯度，终于在 40mM Mg²⁺下稳住了活性。”

提升产率的“最后一公里”来自温度优化：将反应提至 50℃后，七种酶组成的分子机器使实际产率提高到了90%以上。最终，实验室数据定格在 “1 克纤维素产 0.93 克淀粉”，让 “近 100% 理论产率” 从纸面落到了离心管里。

03

高端破冰：

60万元/KG，突破“卡脖子”领域

“技术落地不能‘一步到位’，得从高价值场景切入，用规模拉低成本。” 这是张以恒的产业化 “铁律”，而首个突破口，瞄准了手性药物分离这一 “卡脖子” 领域。

自然界的淀粉因含分支、分子量分布宽，根本无法满足高精度分离需求 —— 这一市场长期被日本企业垄断，“他们对华禁售核心的直链淀粉原料，只卖成品色谱柱，折算出特殊淀粉原料价格高达 60 万元/公斤。” 张以恒说到。

而团队合成的淀粉，有三大 “天生优势”：100% 全直链无分支、PDI 值低至 1.1（接近完全均一）、聚合度 50~1500 可控。“这种淀粉经过化学改性后涂在微球上，能精准拆分手性药物，比如沙利度胺的 R 型有效体和 S 型致畸体，分离效果远超天然淀粉。”

与上市公司苏州纳微科技（688690）的合作，堪称 “双剑合璧”。“他们做这个项目十几年，以往只能从天然淀粉中靠物理分离直链的部分，但是分离产品的性能远远达不到要求。使用我们开发的纯直链淀粉，结合他们已经积累的表面修饰技术，已经成为国产手性药物分离的领军企业。” 张以恒笑道。如今，这套原料供应模式已经完成公斤级中试，彻底打破日本垄断，“国内药厂终于不用再买天价色谱柱了。”

04

产业落地：
PC值导航，从手性分离到猪鸡饲料

“商业逻辑和科学不能分家 ——PC 值小于 1 的技术，再漂亮也赚不了钱。” 张以恒口中的 “PC 值（市本率）”，是他 2025 年在《合成生物学》原创提出的核心概念，堪称生物制造的 “价值罗盘”。PC值可以简单理解为面包-面粉指数，我们不能生产的面包比面粉更便宜。

其定义简洁明确：产品市场价格与原料成本的比值（PC = 产品市场价格 ÷（原料价格 ÷ 实际得率）），通过这一公开透明的量化指标，可将生物制造产品清晰分为四类：高值产品（PC>50）、增值产品（PC 5~20）、大宗产品（PC 1~4）、情怀产品（PC<1），直接指导技术的产业化路径选择。

正是基于这一原创工具，张以恒画出了纤维素制淀粉的清晰降本路线：

高端场景（PC 值＞50，超过10000）：手性药物分离原料，已与苏州纳微科技合作，靠高附加值覆盖初期成本；

中端场景（PC 值 5~20）：植物基胶囊、生物可降解材料等，利用淀粉无分支、易加工的特性，拓展应用边界； 

低端场景（PC 值 2~3）：动物饲料或发酵原料，替代玉米、小麦。

三素分离的 “价值导向” 策略，更体现其产业智慧。

“木质纤维素的利用要通盘考虑。先提半纤维素做木糖（1.2 万元 / 吨，比葡萄糖贵 4 倍），木糖通过多酶分子机器制备高值的L-阿拉伯糖（5-6万元/吨，蔗糖阻断剂，与蔗糖复配，可升级蔗糖为健康糖产业），再用纤维素制淀粉，最后木质素养蘑菇或做黄腐酸补土壤碳 —— 中国土壤不缺氮、磷，但缺有机碳，木质素可用来增产。” 

张以恒团队正搭建温和蒸汽爆破中试装置，核心成员张玉针（我国蒸汽爆破奠基人陈洪章的弟子）牵头优化工艺，“以前全糖利用是将纤维素与半纤维素等同，半纤维素更容易降解，导致副产物多；现在先在温和条件下提半纤维素，再处理纤维素，副产物大大减少，综合产品价值大幅提升。”

目前，该技术已纳入科技部重点专项，国投生物推进三素分离产业化，河南新拓洋酶发酵平台正推进酶成本控制，“我们现在纤维素酶成本约 100 元/公斤干重，目标是降到 50 元/公斤。” 接下来团队将重点突破三大方向：一是降低纤维素酶成本同时提高比酶活；二是推进温和蒸汽爆破中试放大，解决三素分离的规模化工艺问题；三是拓展中端场景的植物基胶囊、生物可降解材料试点。对于产业化，张以恒充满信心。

05

商业融合：
“双向奔赴”与科学家的舍得

在张以恒看来，技术的成功落地离不开与应用场景的深度融合，他将其总结为 “双向奔赴”。

“应用一定是双向奔赴。你知道他的痛点，然后怎么解决他的痛点，同时你还得引导他往什么地方应用与思考，这样他就会接受了。”

他以饲料应用为例解释道：“中国猪鸡饲料占饲料总量 85%，肠道停留时间短（猪 18-24 小时、鸡 3~4 小时），需要快速代谢的糖源，我们计划从氨基酸切入生猪养殖企业 —— 先让他们用生物质糖做氨基酸，发展氨基酸强化蛋白以及未来全氨基酸配方饲料，尝到价格优势的甜头，再慢慢推淀粉以及生物质糖作为能量饲料的新来源。解决了饲料能量和蛋白供给问题，我们就可以把传统的饲料用玉米（2-3亿吨）替换为工业用粮，打破工业生物制造原料供给瓶颈，切实推动生物制造未来产业成为新的经济增长点。”

这种敏锐的商业洞察，同样体现在他差异化的公司经营与合作模式上：

●       与苏州纳微的合作是“原料供应”模式，专注自身所长。

●       将淀粉合成肌醇技术转让给相关企业并建成全球最大生产线，则是采用“技术转让”模式，看中合作伙伴强大的应用领域推广体系。

●    向先正达等公司免费提供海藻糖-6-磷酸原料，开拓新产品的应用场景。

●      2024年成立的初创公司恒海开物，使用“独立自主”模式，聚焦于L-阿拉伯糖与蔗糖复配，打造健康糖产品。

“知识产权划得很清楚，研究所做基础，公司做产业化和应用，不搞模糊地带，投资人也放心。”产品和应用场景，研究团队和企业之间，都要实现“双向奔赴”。

“做科学家不能‘又想发财又想求名’。” 他引用孙宝国院士的话，语气坚定，“想求名，就得把东西便宜卖出去，让它造福社会；想落地，就别贪高额利润。我的梦想不是拿大奖，是看到秸秆变成馒头、变成救命药，真正解决中国人的吃饭问题。”

后记：

在美国已获终身教职的张以恒，2021年选择全职回国并第一时间恢复了中国国籍。他坚定地将这项重磅成果发表在中国主办的《国家科学评论》上。“美国人帮我坚定了爱国决心，”他直言，“我一回来就立刻恢复国籍，什么都不想。” 这份将论文写在祖国大地上的执着，与他将技术应用于国计民生的追求，一脉相承。

参考资料

[1] 张以恒, 陈雪梅, 韩平平. 生物制造的PE值与PX值:定义与应用[J]. 合成生物学, 2025, 6(4): 715-727. DOI:10.12211/2096-8280.2025-020.  

[2] 张以恒, 陈雪梅, 石婷. 生物制造的市本率(PC值):定义与应用[J]. 合成生物学, 2025, 6(1): 8-17. DOI:10.12211/2096-8280.2024-072.  

[3] Wang J T, Li Y J, Lu M Y, Guo Q Q, Chen Y Y, Li Y, Jing Y H, Zhai Z Y, Shi T, Zhang Y Z, Jiang B J, Sheng X, Zhang Y H P J. Complete biotransformation of cellulose to starch in vitro[J]. National Science Review, 2025. DOI:10.12211/2096-8280.2024-072.  

[4] 李怡霏, 陈艾, 孙俊松, 张以恒. 体外多酶分子机器产氢应用中的氢酶研究[J]. 合成生物学, 2024, 5(6): 1461-1484. DOI:10.12211/2096-8280.2024-052.  

[5] 张以恒. 中国哲学思想“道法术器”对生物制造的启示[J]. 合成生物学, 2024, 5(6): 1231-1241. DOI:10.12211/2096-8280.2023-066.