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摘要：“氨（NH₃）”作为实现脱碳社会的手段之一而备受期待。但实际上，目前的一般制氨方法需要消耗大量的能量。针对这一问题，日本京都大学发现了一种几乎不消耗能量即可大量制氨的方法，即使用酵母和酶从“食物残渣”中生产氨。本文将对该方法进行详细介绍。

关键字：氨、制氨方法、酵母和酶、食物残渣、Arming技术、新循环

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颠覆常识！无需能源的大量制氨法
新方法来源于新思路
将沙漠变成大豆田，将大豆残渣转化为氨

颠覆常识！无需能源的大量制氨法

作为应对全球变暖的措施，“脱碳社会”的实现已成为一项全球性方针。为了实现这一目标，“氨”作为一种燃烧时不会产生二氧化碳的脱碳燃料备受期待。

制氨技术历史悠久，德国在100多年前就开发出了“哈伯-博施法”，而且这一方法至今仍用于生产化肥用氨。

但是，哈伯-博施法存在一些不容忽视的缺点。

作为原料的氢是由化石燃料生产的，且在制氨过程中需要高温和高压条件，因此会消耗大量的能量。针对这一问题，科学家们一直在研究取代哈伯-博施法的制氨技术。其中，京都大学的研究小组开发出一种意想不到的大量制氨方法。

该研究小组介绍道，“我们研究的是细胞表面工程学。通过使用在酵母^（※1）表面排列特定的酶^（※2）而形成的物质，将食物残渣中的蛋白质分解产生的氨基酸转化为氨。但是，如果使用普通酵母的话，氨基酸会被吸收到酵母细胞内，转化为非氨物质。因此，本次制氨方法的重点是在酵母表面排列酶，并在表面进行处理，属于细胞表面工程学。”

有一种酵母叫做“酿酒酵母”，常用于提酿酒和面包发酵。该研究小组发现，当在酿酒酵母的细胞中注入特定生物体的基因信息时，该生物体所具有的酶就会一个接一个地浮现在酵母的表面。

将表面浮现出酶的酵母与经过预处理后蛋白质已转化为氨基酸的食物残渣溶液混合，并放置在密封容器中。之后，酶会自然地将氨基酸分解成氨。

氨基酸可以分解成氨和其他副产物。食物摄入人体后，其中的蛋白质在人体内也会转化为氨基酸和氨。通过酵母表面的酶，以化学方式再现了该过程。

研究小组开发的制氨方法示意图。黄色圆代表酵母，围绕在其周围的是酶

如上图所示，在酵母的周围延伸出成千上万的酶，像千手观音一样，因此美国期刊将这种方法命名为“Arming技术”。

“蘑菇、海兔、蛇等都具有分解一些氨基酸以维持生存的酶。当将其基因导入酵母中后，酵母表面就会出现很多用于分解氨基酸并将其转化为氨的酶。当将表面出现了酶的酵素应用于预处理过的食物残渣时，会自动将食物残渣转化为氨。该转化不消耗能量。”

关于作为原料的食物残渣，该研究小组使用的是大豆残渣，即“豆渣”。虽然日本人会吃豆渣，但在其他国家，豆渣通常被作为“垃圾”处理。

通过对豆渣进行预处理，将其转化为可用于制氨的溶液

此外，一些国家会将豆渣埋在地下进行处理，但是豆渣埋在地下后会分解，产生二氧化氮（NO₂），导致全球变暖。

“与其他食物残渣相比，豆渣的废弃量要多得多。如果能将其转化为氨的话，就可以食用大豆，把剩余的残渣转化为氨，用作氨燃料电池中的燃料。如果能够收集氨分解后产生的氢，还可以用于氢燃料汽车。采用Arming技术，可以将豆渣中88%的蛋白质转化为氨。”

全球每年产生2.6亿吨以上的豆渣。通过Arming技术可以将豆渣中88%的蛋白质转化为氨，这将是极为庞大的氨产量。

豆渣的年产生量远多于其他食物残渣（2013年数据）。在豆腐加工中，豆渣产量与成品豆腐几乎相等

当呈递来自蘑菇的酶（HcLAAO）时，转化效率高达88%。在大约2小时内从预处理过的豆渣中产生氨

新方法来源于新思路

将食物残渣转化为氨。该研究小组是如何想出这种与传统的哈伯-博施法及类似研究完全不同的创新型制氨方法的呢？

“最初的契机是与某家清酒制造商的联合研究。在酿造清酒时，使用酒曲和酵母从大米中制成酒精，但实际上两者很难同时使用。在思考如何同时酒曲和酵母时，产生了新的思路。”

该研究小组于1997年左右开始研发“Arming技术”。当时，生物乙醇的生产技术备受关注，因此将研究主题定在了生物乙醇方面。

如上所述，酶会浮现在酵母的表面。该研究小组还发现，利用这一特性，可以将淀粉和纤维素转化为生物乙醇。

“Arming技术”最初不是为了生产氨，而是为了生产生物乙醇。

该技术作为生物乙醇生产技术也具有划时代的意义，不仅是食物残渣，还可以将芒、象草等草本植物^※3、以及旧报纸等转化为生物乙醇。

使用“Arming技术”得到的酵母发酵报纸，一晚上就会产生生物乙醇

“但是，此处也有一个陷阱。比如旧报纸，以前几乎是免费的，但是如果能够将其转化为生物乙醇的话，需求量就会增加，随之价格也会高涨。那么垃圾就不再是垃圾了。”

当时曾通过初创企业将这一技术商业化，但是由于无利可图，研究小组将该技术提供给生物质废弃物产生较多的美国。

“我们再也不想重蹈覆辙。考虑到一点，我们在探索该技术的其他应用时发现了氨。”

时光荏苒，到了2010年代中期，虽然脱碳社会尚未实现，但氨燃料电池和氢燃料汽车（FCV）的技术正在被确立。

“与此同时，我们注意到了在世界范围内大量丢弃的豆渣。起初，人们质疑用豆渣制氨，但如今已经实现，非常感激人们一直在关注日本独创的‘Arming技术’。”

将沙漠变成大豆田，将大豆残渣转化为氨

这种“Arming技术”未来将如何发挥作用呢？

在日本国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）的COI-NEXT（共创平台形成支援项目）中，正在进行使用“Arming技术”的大型项目。

“在贫瘠的土地上，在根瘤菌^（※4）的干预下种植大豆，以解决粮食短缺问题，并通过‘Arming技术’将从大豆中产生的豆渣转化为氨。我们正在努力实现种植大豆，同时利用氨能驱动氢燃料汽车的循环。”

该项目的推进，有助于实现解决能源和全球粮食问题的循环

“土壤里存在根瘤菌，因此豆类栽培可以减少肥料用量。豆类营养丰富。如果扩大种植豆类作为食物，并从中产生氨的话，不仅是能源问题，还可能解决粮食问题甚至健康问题。”

由于新兴国家对肉类需求的上升以及受新型疫情的影响，肉类供需失衡，价格高涨。如果用生产的豆类制作大豆肉（一种以大豆为原料制成的仿肉类的加工产品）的话，就可以替代肉类，解决肉类短缺的问题。

“我们目前关注的是非洲。今后，无论是从能源的角度还是粮食问题的角度来看，非洲都可能成为重要阵地。如果能够找到抗旱的根瘤菌的话，就有可能将非洲沙漠和热带稀树草原变成大豆田。”

这样以来，有望创造出一个能源和食物的新循环。

如果非洲的土地成为大豆的主要产地的话，就可能会成为氨的主要产地。

（图片来自网络）

将大量排放且处理麻烦的食物残渣转化为能源。我们期待着实现一个新的循环，为世界面临的紧迫问题提供解决方案。

术语解释：

※1 酵母：营养体在一定期间内为单细胞性的真菌类的总称。其将糖类分解成酒精和二氧化碳，广泛存在于植物、蔬菜和空气等自然界中。

※2 酶：对在身体内外发生的化学反应起催化剂作用的分子。

※3 草本植物：地面上的茎不会像树一样变成粗而硬的树干，而是1年到几年内就会枯萎死掉的植物。

※4 根瘤菌：一种细菌。在常温常压下将大气中的氮转化为氨（固氮），是一种供给植物生长所需的氮的土壤微生物。

豆渣是能源？！从食物残渣中大量制氨