中國食品科技：從2020到2035

陳 堅

（1 江南大學(xué)工業(yè)生物技術(shù)教育部重點實驗室 江蘇無錫 214122

2 江南大學(xué)糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室 江蘇無錫 214122）

1 中國食品科技：現(xiàn)狀、問題、趨向

隨著社會的發(fā)展，我國食品工業(yè)的任務(wù)不斷變化。在新時代中國特色社會主義建設(shè)背景下，人民對于食品的需求已經(jīng)從基本的“保障供給”向“營養(yǎng)健康”轉(zhuǎn)變。食品工業(yè)與人民生活質(zhì)量密切相關(guān)，是滿足人民日益增長的美好生活需要的民生基石。根據(jù)世界衛(wèi)生組織報告和《柳葉刀》研究，膳食是僅次于遺傳而影響人類健康的第二大因素，約16.2%的疾病負擔(dān)歸因于膳食，因此，食品工業(yè)是實現(xiàn)“健康中國”戰(zhàn)略目標的堅實保障。我國食品產(chǎn)業(yè)位居全球第一，是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，2017年產(chǎn)值11.4萬億，占全國GDP的9%，對全國工業(yè)增長貢獻率達12%，拉動全國工業(yè)增長0.8個百分點。預(yù)計未來十年，中國的食品消費將增長50%，價值超過7萬億元。因此，我國食品工業(yè)是實施鄉(xiāng)村振興和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的中堅力量。作為全球食品貿(mào)易大國，我國食品進出口均居世界第一。食品工業(yè)是融合全球供應(yīng)鏈和提升我國國際競爭力的重要支撐。我國食品領(lǐng)域論文發(fā)表量、論文引用數(shù)量、專利申請和授權(quán)數(shù)量均位居全球第一。在軟科發(fā)布的2019年全球食品學(xué)科排名前十的榜單中，中國大學(xué)占據(jù)了5席。我國一批關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了國外輸出，例如超高壓、擠壓重組技術(shù)等；部分裝備占領(lǐng)國際市場，例如萬噸油脂加工裝備、肉品加工裝備等；部分產(chǎn)品在國際市場占主導(dǎo)地位，例如濃縮蘋果汁占世界市場的60%，番茄醬占世界市場的1/4。因此，食品科技是貫徹創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略的重要抓手。

雖然，我國食品領(lǐng)域發(fā)展迅速，但是依然面臨以下6個方面問題：首先，引領(lǐng)性基礎(chǔ)研究少。2008年至2018年間，在自然科學(xué)三大頂級期刊《Cell》、《Nature》和《Science》上發(fā)表食品相關(guān)論文分別為48，62篇和42篇，其中我國作為主要完成單位的論文僅分別為1，5篇和3篇。第二，領(lǐng)跑技術(shù)比例小。美國、日本和德國在食品領(lǐng)域領(lǐng)跑技術(shù)比例分別占48%，29%和13%，而我國在食品領(lǐng)域領(lǐng)跑技術(shù)比例僅占5%，與主要發(fā)達國家差距明顯。發(fā)達國家主要以企業(yè)研發(fā)為主，產(chǎn)業(yè)化階段技術(shù)比例在80%以上，而我國食品技術(shù)產(chǎn)業(yè)化比例低。第三，裝備自主創(chuàng)新能力低。美國、日本和歐盟等食品智能裝備專利占全球80%以上，而我國食品裝備年進口額近300億元，大型食品企業(yè)80%的關(guān)鍵高端裝備依賴進口。第四，加工增值和資源利用不足。美國和日本食品工業(yè)產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之比分別為3.7∶1和11.7∶1，而我國食品工業(yè)產(chǎn)值與農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值之比小于2∶1。我國食品工業(yè)消耗巨大資源和能源，包括年用水約100億t、耗電 2 500億 kW·h、耗煤 2.8億 t、廢水 50億 m2、廢物4億t。第五，食品毒害物偵測國外依賴度高。我國快速檢測產(chǎn)品集中以農(nóng)獸藥殘留為主 （占比80%），受國際認可不足10%。食源性致病菌等核心檢測試劑和毒素標準物質(zhì)高度依賴進口。復(fù)雜基質(zhì)分離材料國產(chǎn)產(chǎn)品占比不足15%，用于8種微生物快速檢測的84個檢測產(chǎn)品幾乎沒有國產(chǎn)產(chǎn)品。第六，生鮮食品儲運損耗大。美國蔬菜加工運輸損耗率1%至2%，荷蘭向世界配送果蔬損耗率5%，日本生鮮農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后商品化100%。而我國生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流損耗率較大，分別為：果蔬20%、肉類8%、水產(chǎn)品11%、糧食8%，生鮮食品冷鏈流通率僅8%，儲運損耗方面損失高達千億元。

隨著生物技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)和先進制造等技術(shù)領(lǐng)域的快速興起和蓬勃發(fā)展，我國食品科技發(fā)展戰(zhàn)略趨向表現(xiàn)在以下6個方面：第一，食品合成生物學(xué)。構(gòu)建食品細胞工廠，以可再生生物質(zhì)為原料，利用細胞工廠生產(chǎn)肉類、牛奶、雞蛋、油脂、糖等，顛覆傳統(tǒng)的食品加工方式，形成新型生產(chǎn)模式。第二，食品精準營養(yǎng)與個性化制造?；谑澄餇I養(yǎng)、人體健康、食品制造大數(shù)據(jù)，靶向生產(chǎn)精準營養(yǎng)與個性化食品。第三，食品裝備智能制造。利用數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)，結(jié)合感知物聯(lián)和智能控制技術(shù)，開發(fā)食品工業(yè)機器人、食品智能制造生產(chǎn)線和智慧廚房及供應(yīng)鏈系統(tǒng)。第四，增材制造（3D打印）?；诳焖僮詣映尚卧霾闹圃?、圖像圖形處理、數(shù)字化控制、機電和材料等工業(yè)化數(shù)字化技術(shù)，生產(chǎn)傳統(tǒng)食品和新型食品。第五，全程質(zhì)量安全主動防控?；诜前邢蚝Y查、多元危害物快速識別與檢測、智能化監(jiān)管、實時追溯等技術(shù)的不斷革新，食品安全監(jiān)管向智能化、檢測溯源向組學(xué)化、產(chǎn)品質(zhì)量向國際化方向發(fā)展。通過提升過程控制和檢測溯源，構(gòu)建新食品安全的智能監(jiān)管。第六，多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)鏈。大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、基因編輯等信息、工程、人工智能、生物技術(shù)等深度交叉融合正在顛覆食品傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，催生一批新產(chǎn)業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)。

2 未來食品面臨的挑戰(zhàn)和需要具備的特點

隨著環(huán)境污染、氣候變化和人口增長，安全、營養(yǎng)和可持續(xù)的食品供給面臨巨大挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下4個方面：第一，生態(tài)效應(yīng)方面，食品生產(chǎn)產(chǎn)生25%溫室氣體并需要40%耕地，對生態(tài)造成巨大壓力。第二，人口方面，隨著全球人口的增長和生活水平提升的需求，預(yù)計到2050年全球需要蛋白增量將達到30%至50%。第三，氣候變化方面，世界上70%的饑餓人口生活在氣候變化最為嚴重的地區(qū)，對食品的供給造成嚴峻挑戰(zhàn)。第四，公共健康方面，因現(xiàn)代飲食方式產(chǎn)生的慢性疾病而造成年死亡人數(shù)增加500萬。

未來面臨的挑戰(zhàn)對未來食品供給和功能提出了新的要求，食品需要成為人類未來生產(chǎn)方法和生活方式改變的代表性物質(zhì)；食品科技發(fā)展應(yīng)該成為系統(tǒng)生物學(xué)、合成生物學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、增材制造、醫(yī)療健康、感知科學(xué)等技術(shù)的集成研究；未來食品在解決全球食物供給和質(zhì)量、食品安全和營養(yǎng)等問題基礎(chǔ)上，滿足人民對美好生活的更高需要；未來食品的標簽是“更安全、更營養(yǎng)、更方便、更美味、更持續(xù)”。植物基食物發(fā)展是未來食品技術(shù)發(fā)展的重要方向[1]。2013—2017年全球植物蛋白、活性物質(zhì)、甜味劑、藥物和調(diào)料、色素的復(fù)合年增長率高達62%，未來仍將呈高速增長趨勢。未來食品技術(shù)組成將更加完備，將從食品加工領(lǐng)域擴展到營養(yǎng)健康、食品生物工程、智能制造等相關(guān)領(lǐng)域，構(gòu)成多技術(shù)體系協(xié)同推進未來食品發(fā)展，構(gòu)成未來食品技術(shù)結(jié)構(gòu)樹，支撐未來食品領(lǐng)域的健康和有序發(fā)展。

3 未來食品科技

3.1 食品合成生物學(xué)

合成生物學(xué)是新的生命科學(xué)前沿，以工程化設(shè)計理念對生物體進行有目標的設(shè)計、改造乃至重新合成，是從理解生命規(guī)律到設(shè)計生命體系的關(guān)鍵技術(shù)[2]。合成生物學(xué)成功的產(chǎn)業(yè)化案例是2013年美國Amyris和法國Sanofi利用合成生物學(xué)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)出能高效合成青蒿酸的釀酒酵母細胞工廠，并在此基礎(chǔ)上通過化學(xué)合成的方法將青蒿酸轉(zhuǎn)化為青蒿素，實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)[3-4]。100 m2車間相當于近5萬畝（3333.3公頃）種植產(chǎn)量，從而建立了青蒿素從植物提取到生物合成的顛覆性生產(chǎn)性路線。合成生物學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的成功應(yīng)用促使全球合成生物學(xué)研究蓬勃興起，世界各國迅速推進該領(lǐng)域發(fā)展。合成生物技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正在重塑世界[5-6]。然而，目前合成生物學(xué)研究主要集中在醫(yī)藥和化學(xué)品生產(chǎn)領(lǐng)域，食品領(lǐng)域合成生物學(xué)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究起步相對較晚，發(fā)展相對薄弱[7]。率先推進食品合成生物學(xué)的技術(shù)研究并且實現(xiàn)食品合成生物學(xué)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將搶占世界的科技前沿和產(chǎn)業(yè)高地。

食品合成生物學(xué)是在傳統(tǒng)食品制造技術(shù)基礎(chǔ)上，采用合成生物學(xué)技術(shù)，特別是食品微生物基因組設(shè)計與組裝、食品組分合成途徑設(shè)計與構(gòu)建等，創(chuàng)建具有食品工業(yè)應(yīng)用能力的人工細胞，將可再生原料轉(zhuǎn)化為重要食品組分、功能性食品添加劑和營養(yǎng)化學(xué)品，來解決食品原料和生產(chǎn)方式過程中存在的不可持續(xù)的問題，實現(xiàn)更安全、更營養(yǎng)、更健康和可持續(xù)的食品獲取方式。食品合成生物學(xué)既是解決現(xiàn)有食品安全與營養(yǎng)問題的重要技術(shù)，也是面對未來食品可持續(xù)供給挑戰(zhàn)的主要方法，能夠解決傳統(tǒng)食品技術(shù)難以解決的問題，主要包括以下4個方面：1）變革食品生產(chǎn)方式；2）開發(fā)更多新的食品資源；3）提高食品的營養(yǎng)并增加新的功能；4）重構(gòu)、人工組裝與調(diào)控食品微生物群落。食品合成生物技術(shù)主要研究領(lǐng)域包括食品細胞工廠設(shè)計與構(gòu)建、食品生物合成優(yōu)化與控制和重組食品制造與評價。

食品合成生物學(xué)發(fā)展需要經(jīng)歷以下3個階段：第1階段是通過最優(yōu)合成途徑及食品分子修飾，實現(xiàn)重要食品功能組分的有效、定向合成和修飾，為“人造功能產(chǎn)品”細胞的合成做準備。第2階段是建立高通量高靈敏篩選方法，篩選高效的底盤細胞工廠，實現(xiàn)重要食品功能組分的高效生物制造；初步合成具有特殊功能的“人造功能產(chǎn)品”細胞。第3階段是實現(xiàn)AI輔助的全自動生物合成的設(shè)計及實施；通過精確靶向調(diào)控，大幅度提高重要食品功能產(chǎn)品在異源底盤和原底盤細胞中的合成效率，最終實現(xiàn)全細胞利用。

人造食品的總體技術(shù)路線是構(gòu)建細胞工廠種子，以車間生產(chǎn)方式合成奶、肉、糖、油、蛋等，具有營養(yǎng)與經(jīng)濟競爭力，實施顛覆性技術(shù)路線，緩解農(nóng)業(yè)壓力，滿足日益增長的需求。相比于傳統(tǒng)食品制造，基于細胞工廠種子的人造食品制造能夠?qū)⑼恋厥褂眯侍岣? 000倍，每噸糧食可節(jié)約用水90%以上，并且生產(chǎn)過程不需使用農(nóng)藥化肥。主要人造食品包括“人造蛋”、“人造肉”和“人造奶”。目前，美國Hampton Creek公司將豌豆和多種豆類植物混合，研發(fā)“人造蛋”，產(chǎn)品營養(yǎng)價值和味道與真蛋相似。此類“植物蛋黃醬”已經(jīng)在香港等地的超市銷售。美國Clara Foods科技公司通過酵母細胞工廠構(gòu)建、發(fā)酵合成卵清蛋白，是利用生物合成技術(shù)創(chuàng)制動物蛋白的范例?！叭嗽烊狻奔夹g(shù)被《麻省理工學(xué)院技術(shù)評論》評為2018年全球十大突破技術(shù)之一，利用“人造肉”替代傳統(tǒng)畜牧業(yè)具有重大的生態(tài)意義，是全球人造食品研究的熱點。傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)排放的溫室氣體占到全球溫室氣體排放量的14.5%，是所有交通工具燃油排放的總和。利用“人造肉”替代或部分替代傳統(tǒng)畜牧業(yè)，能夠顯著降低全球溫室氣體排放[8]。同時區(qū)別于傳統(tǒng)素肉，“人造肉”與肉類具有更高的相似度，因而也具有更高的商業(yè)潛力。“人造肉”主要包括“植物蛋白肉”和“細胞培養(yǎng)肉”兩大類。實現(xiàn)人造肉產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)急需攻克的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括：1）如何通過植物蛋白提取純化和全能干細胞分化控制實現(xiàn)植物蛋白、成肌干細胞的高效獲??？2）如何通過大型生物反應(yīng)器設(shè)計和細胞培養(yǎng)人工智能控制獲得規(guī)模化生物反應(yīng)器用于人造肉制備[9]？3）如何實現(xiàn)血紅素等風(fēng)味物質(zhì)高效制備和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)的高效合成，實現(xiàn)人造肉制品食品化[10]？4）如何利用植物蛋白紋理結(jié)構(gòu)重組和食品3D打印技術(shù)實現(xiàn)人造肉制品結(jié)構(gòu)重塑[11]？關(guān)于“人造奶”的開發(fā)和應(yīng)用，美國Perfect Day公司分析牛奶中20種對人體有益及重要的原料，以合成生物技術(shù)組裝酵母細胞，實現(xiàn)發(fā)酵合成6種蛋白與8種脂肪酸。在分離純化后再加入鈣、鉀等礦物質(zhì)及乳化劑完成最后加工，口味和營養(yǎng)可與天然牛奶相同，并且不含膽固醇和乳糖。最近與美國食品業(yè)巨頭ADM公司簽署聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，計劃2019年向食品工業(yè)供應(yīng)人工牛奶。據(jù)測算，相比于傳統(tǒng)牛奶生產(chǎn)方式，“人造奶”生產(chǎn)將減少98%的用水量，91%的土地需求，84%溫室氣體的排放，并節(jié)約65%的能源。

3.2 食品感知科學(xué)

食品感知（Sensory Perception）科學(xué)是未來食品研究的重要研究領(lǐng)域。食品風(fēng)味的最基本組成是甜、咸、苦、酸、鮮。味覺與想象力和情感相關(guān)，味覺是特有的感官，不同于視覺、聽覺和觸覺等有共同性的感官。追求食物（渴望、愉悅、釋放、滿足）的動力對持續(xù)掌控生活與積極性更加強而有力。因此，食品感知科學(xué)與未來食品對于人們對美好生活的追求息息相關(guān)?；谑称返母兄茖W(xué)研究需要重視的研究包括以下6個方面：1）研究食品的感官特性和消費者的感覺；2）探究感官交互作用和味覺多元性；3）解析大腦處理化學(xué)和物理刺激過程，從而實現(xiàn)感官模擬；4）理解感官的個體差異；5）多學(xué)科交叉進行消費者行為分析；6）評估感官/消費者的方法學(xué)。

目前，食品感知科學(xué)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得了眾多突破性進展。其中，2019年《Cell》報道了酸味受體的鑒定結(jié)果，同時確定了酸、甜、苦、咸、鮮5種味道的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)[12]。研究表明，酸味使用舌頭專用的味覺受體細胞（TRC），以精細調(diào)節(jié)大腦中的味覺神經(jīng)元以觸發(fā)厭惡行為。在應(yīng)用研究領(lǐng)域，食品感知科學(xué)在酒產(chǎn)品上頭和口干機理的鑒定方面得到了成功應(yīng)用。該研究首先建立宿醉動物模型，確定上頭和口干指標，然后，開展行為學(xué)、體外腦組織培養(yǎng)高通量篩選技術(shù)、生化和生理學(xué)實驗，明確宿醉的標志物和引起上頭、口干的機理。最后，開展轉(zhuǎn)化研究及人體大腦功能性核磁共振掃描。該研究成果為找出酒產(chǎn)品中引起上頭和口干的物質(zhì)成分，了解其造成宿醉反應(yīng)的機制，并找到減輕飲后上頭、口干的干預(yù)措施，為提升酒產(chǎn)品的飲后舒適度提供了重要指導(dǎo)。

4 結(jié)論

綜上所述，我國食品科技的發(fā)展現(xiàn)狀取得了顯著的進展。為解決我國食品領(lǐng)域當前存在的問題和應(yīng)對未來的挑戰(zhàn)，未來食品領(lǐng)域發(fā)展的趨勢將主要集中在以下6各方面：1）食品營養(yǎng)健康的突破將成為食品發(fā)展的新引擎；2）食品物性科學(xué)的進展將成為食品制造的新源泉；3）食品危害物發(fā)現(xiàn)與控制的成果將成為安全主動保障的新支撐；4）綠色制造技術(shù)的突破將成為食品工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新驅(qū)動；5）食品加工智能化裝備的革命將成為食品工業(yè)升級的新動能；6）食品全鏈條技術(shù)的融合將成為食品產(chǎn)業(yè)的新模式。