เปลี่ยน ‘คาร์บอน’ เป็นน้ำตาล ทางแก้ปัญหาขยะ สร้างความมั่นคงทางอาหาร

นักวิจัยชาวจีนพัฒนาวิธีการเปลี่ยน “เมทานอล” จากคาร์บอน ให้เป็น “น้ำตาลทรายขาว” หรือ “ซูโครส” โดยไม่ต้องใช้พื้นที่เพาะปลูกหรือพืชผล ในอนาคตวิธีนี้อาจช่วยเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ที่จับได้ให้กลายเป็นอาหารได้

“พืชน้ำตาล” พืชที่สามารถนำมาสกัดหรือแปรรูปเป็นน้ำตาล เพื่อใช้เป็นอาหารหรือเป็นประโยชน์ในด้านอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น อ้อยหรือหัวบีต ซึ่งพืชทั้งสองชนิดนี้ต้องการที่ดินและน้ำในการเพาะปลูกในปริมาณมหาศาล แต่วิธีที่นักวิจัยใช้ไม่จำเป็นต้องใช้พื้นที่เพาะปลูกเลย ใช้เพียงแต่เอนไซม์เพื่อเปลี่ยนเมทานอล ซึ่งสามารถผลิตได้จากขยะอุตสาหกรรมหรือโดยการบำบัดคาร์บอนไดออกไซด์ทางเคมี ให้กลายเป็นน้ำตาลเชิงซ้อน

“การแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เทียมให้เป็นอาหารและสารเคมีเป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีในการแก้ไขปัญหาทั้งด้านสิ่งแวดล้อมและประชากร พร้อมกับส่งเสริมความเป็นกลางทางคาร์บอน” นักวิทยาศาสตร์เขียนไว้

ระบบนี้ไม่เพียงแต่ผลิตซูโครสได้เท่านั้น แต่ยังสามารถนำไปดัดแปลงเพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรตสำคัญอื่น ๆ เช่น ฟรุกโตสและแป้งได้อีกด้วย การพัฒนาเหล่านี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการผลิตอาหารโดยตรงจากสารเคมี โดยไม่กระทบต่อการเกษตรแบบดั้งเดิม

เปลี่ยนขยะคาร์บอนเป็นอาหาร

แม้ว่าจีนจะสามารถปลูกได้ทั้งอ้อยและหัวบีต แต่จีนก็ยังคงต้องนำเข้าน้ำตาลประมาณ 5 ล้านตันต่อปี เพื่อตอบสนองความต้องการของประชาชน ด้วยแรงกดดันที่เพิ่มขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและจำนวนประชากรที่เพิ่มขึ้น นักวิจัยจึงเร่งค้นหาทางเลือกในการปลูกอาหารที่มีประสิทธิภาพและปรับขนาดได้มากขึ้น ด้วยการผลิตน้ำตาลโดยตรงจากเมทานอล ซึ่งสามารถผลิตได้จากคาร์บอนไดออกไซด์ 

ในปี 2021 ทีมวิจัยอีกทีมหนึ่งจากสถาบันฟิสิกส์เคมีต้าเหลียน ได้คิดค้นวิธีการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเมทานอลที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งเป็นการเปิดประตูให้ “ขยะคาร์บอน” กลายเป็นวัตถุดิบในการผลิตสารเคมีที่มีคุณค่า เช่น น้ำตาล

จากความก้าวหน้าดังกล่าว ทีมวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีชีวภาพอุตสาหกรรมเทียนจิน ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน (CAS) พัฒนาวิธีการที่มีประสิทธิภาพสูงในการเปลี่ยนเมทานอลเป็นน้ำตาลโดยใช้ปฏิกิริยาเคมีที่รวดเร็วและพลังงานต่ำหลายชุด พวกเขาบรรลุอัตราการเปลี่ยนที่น่าประทับใจที่ 86% โดยใช้สิ่งที่เรียกว่า “การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมที่สร้างขึ้น” หรือ “ivBT” (In vitro Biotransformation) ซึ่งเป็นวิธีการสร้างโมเลกุลที่มีประโยชน์นอกสิ่งมีชีวิตโดยใช้เอนไซม์

“ivBT กลายเป็นแพลตฟอร์มที่มีแนวโน้มสูงสำหรับการผลิตทางชีวภาพอย่างยั่งยืน ในงานวิจัยนี้ เราประสบความสำเร็จในการออกแบบและนำระบบ ivBT มาใช้สำหรับการสังเคราะห์ซูโครสจากโมเลกุลคาร์บอนต่ำ” นักวิจัยกล่าว

นักวิจัยสร้างแพลตฟอร์ม ivBT หลายแพลตฟอร์มสำหรับการแปลงโมเลกุลคาร์บอนต่ำ ซึ่งได้มาจากการลดคาร์บอนไดออกไซด์ทางเคมี หรือการแปลงของเสียจากอุตสาหกรรมทางเคมี/ชีวภาพ ให้เป็นน้ำตาลคาร์บอนสูง (C≥12) 

ระบบนี้ไม่เพียงแต่สร้างซูโครสได้เป็นครั้งแรกโดยใช้เมทานอล แต่ยังผลิตแป้งโดยใช้พลังงานน้อยกว่าเทคนิคก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์กล่าวว่าวิธีการนี้สามารถใช้ได้กับน้ำตาลเชิงซ้อนหลากหลายชนิด ไม่ใช่แค่น้ำตาลที่ใช้สำหรับให้ความหวานเท่านั้น

“การแปลงคาร์บอนไดออกไซด์เทียมเป็นอาหารและสารเคมีเป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีในการแก้ไขปัญหาทั้งด้านสิ่งแวดล้อมและประชากร พร้อมกับส่งเสริมความเป็นกลางทางคาร์บอน” ทีมวิจัยกล่าว

ไม่ต้องใช้พืชในการผลิตอาหารและยา

ด้วยการปรับระบบ ivBT เดียวกันนี้ ทีมงานยังสามารถผลิตฟรุกโตส อะมิโลส อะมิโลเพกติน เซลโลไบโอส และเซลโอลิโกแซ็กคาไรด์ได้อีกด้วย คาร์โบไฮเดรตเหล่านี้ไม่ได้ถูกนำมาใช้เฉพาะในอาหารเท่านั้น แต่ยังใช้ในยาและการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอีกด้วย

นักวิจัยกล่าวว่า ระบบนี้นำเสนอเส้นทางการสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์และพอลิแซ็กคาไรด์ที่มีโครงสร้างหลากหลายแบบที่มีแนวโน้มดีและไม่ต้องใช้พืช น้ำตาลเชิงซ้อนเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อทุกสิ่งตั้งแต่การกักเก็บพลังงานในร่างกายไปจนถึงการรักษาทางการแพทย์

งานวิจัยนี้จึงได้วางกรอบพื้นฐานสำหรับการพัฒนาแพลตฟอร์มการผลิตทางชีวภาพที่มีความยืดหยุ่นและคาร์บอนเป็นลบในอนาคต ทั้งนี้นักวิจัยยังยอมรับว่ายังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมอีกมากก่อนที่จะสามารถนำวิธีการนี้ไปใช้ในวงกว้างได้ พวกเขาวางแผนที่จะปรับปรุงประสิทธิภาพของเอนไซม์และทำให้ระบบมีเสถียรภาพและแข็งแกร่งยิ่งขึ้นสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

ที่มา: Interesting Engineering, South China Morning Post, Xinhua