中國食品科技:從2020到2035

2020-02-19 09:58:08來源: 中國食品報網

江西快3开户 www.lzrdsu.com.cn 中國工程院院士  陳堅

  我國食品產業是國民經濟的支柱產業,2017年產值11.4萬億元,占全國GDP的9%,對全國工業增長貢獻率達12%,拉動全國工業增長0.8個百分點。預計未來10年,我國的食品消費將增長50%,價值超過7萬億元。我國食品科技的發展取得了顯著進展。

  未來我國食品領域發展的趨勢將主要集中在以下六大方面:食品營養健康的突破將成為食品發展的新引擎;食品物性科學的進展將成為食品制造的新源泉;食品危害物發現與控制的成果將成為安全主動保障的新支撐;綠色制造技術的突破將成為食品工業可持續發展的新驅動;食品加工智能化裝備的革命將成為食品工業升級的新動能;食品全鏈條技術的融合將成為食品產業的新模式。

我國食品科技現狀、問題、趨向

  隨著社會的發展,我國食品工業的任務不斷變化。在新時代中國特色社會主義建設背景下,人們對于食品的需求已經從基本的“保障供給”向“營養健康”轉變。食品工業與人民生活質量密切相關,是滿足人民日益增長的美好生活需要的民生基石。根據世界衛生組織報告和《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%的疾病負擔歸因于膳食,因此,食品工業是實現“健康中國”戰略目標的堅實保障。

  我國食品產業是國民經濟的支柱產業,2017年產值11.4萬億元,占全國GDP的9%,對全國工業增長貢獻率達12%,拉動全國工業增長0.8個百分點。預計未來10年,我國的食品消費將增長50%,價值超過7萬億元。因此,我國食品工業是實施鄉村振興和可持續發展戰略的中堅力量。作為全球食品貿易大國,我國食品進出口均居世界第一。

  食品工業是融合全球供應鏈和提升我國國際競爭力的重要支撐。我國食品領域論文發表量、論文引用數量、專利申請和授權數量均位居全球第一。在軟科發布的2019年全球食品學科排名前10的榜單中,我國大學占據了5席。我國一批關鍵技術實現了國外輸出,例如超高壓、擠壓重組技術等;部分裝備占領國際市場,例如萬噸油脂加工裝備、肉品加工裝備等;部分產品在國際市場占主導地位,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,食品科技是貫徹創新驅動發展戰略的重要抓手。

  我國食品工業面臨六大問題

  首先,引領性基礎研究少。2008年至2018年間,在自然科學三大頂級期刊《Cell》《Nature》和《Science》上發表食品相關論文分別為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,領跑技術比例小。美國、日本和德國在食品領域領跑技術比例分別占48%、29%和13%,而我國在食品領域領跑技術比例僅占5%,與主要發達國家差距明顯。發達國家主要以企業研發為主,產業化階段技術比例在80%以上,而我國食品技術產業化比例低。

  第三,裝備自主創新能力低。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80%的關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產值與農業總產值之比分別為3.7頤1和11.7頤1,而我國食品工業產值與農業總產值之比小于2頤1。我國食品工業消耗巨大資源和能源,包括年用水約100億噸、耗電2500億千瓦/小時、耗煤2.8億噸、廢水50億平方米、廢物4億噸。

  第五,食品毒害物偵測國外依賴度高。我國快速檢測產品集中以農獸藥殘留為主(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高度依賴進口。復雜基質分離材料國產產品占比不足15%,用于8種微生物快速檢測的84個檢測產品幾乎沒有國產產品。

  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%,日本生鮮農產品產后商品化100%。而我國生鮮農產品物流損耗率較大,分別為:果蔬20%、肉類8%、水產品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。

  我國食品科技發展戰略趨向

  隨著生物技術、人工智能、大數據技術和先進制造等技術領域的快速興起和蓬勃發展,我國食品科技發展戰略趨向表現在以下6點:

  第一,食品合成生物學。構建食品細胞工廠,以可再生生物質為原料,利用細胞工廠生產肉類、牛奶、雞蛋、油脂、糖等,顛覆傳統的食品加工方式,形成新型生產模式。

  第二,食品精準營養與個性化制造?;謔澄鎘?、人體健康、食品制造大數據,靶向生產精準營養與個性化食品。

  第三,食品裝備智能制造。利用數字化設計和制造技術,結合感知物聯和智能控制技術,開發食品工業機器人、食品智能制造生產線和智慧廚房及供應鏈系統。

  第四,增材制造(3D打?。??;誑燜僮遠尚臥霾鬧圃?、圖像圖形處理、數字化控制、機電和材料等工業化數字化技術,生產傳統食品和新型食品。

  第五,全程質量安全主動防控?;詵前邢蟶覆?、多元危害物快速識別與檢測、智能化監管、實時追溯等技術的不斷革新,食品安全監管向智能化、檢測溯源向組學化、產品質量向國際化方向發展。通過提升過程控制和檢測溯源,構建新食品安全的智能監管。

  第六,多學科交叉融合創新產業鏈。大數據、云計算、物聯網、基因編輯等信息、工程、人工智能、生物技術等深度交叉融合正在顛覆食品傳統生產方式,催生一批新產業、新模式、新業 態。

安全、營養和可持續的食品供給面臨挑戰

  隨著環境污染、氣候變化和人口增長,安全、營養和可持續的食品供給面臨巨大挑戰,主要表現在以下4個方面:

  第一,生態效應方面,食品生產產生25%溫室氣體并需要40%耕地,對生態造成巨大壓力。

  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,預計到2050年全球需要蛋白增量將達到30%—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,對食品的供給造成嚴峻挑戰。

  第四,公共健康方面,因現代飲食方式產生的慢性疾病而造成年死亡人數增加500萬。

  未來面臨的挑戰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方法和生活方式改變的代表性物質;食品科技發展應該成為系統生物學、合成生物學、物聯網、人工智能、增材制造、醫療健康、感知科學等技術的集成研究;未來食品在解決全球食物供給和質量、食品安全和營養等問題基礎上,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、更方便、更美味、更持續”。植物基食物發展是未來食品技術發展的重要方向。2013—2017年全球植物蛋白、活性物質、甜味劑、藥物和調料、色素的復合年增長率高達62%,未來仍將呈高速增長趨勢。未來食品技術組成將更加完備,將從食品加工領域擴展到營養健康、食品生物工程、智能制造等相關領域,構成多技術體系協同推進未來食品發展,構成未來食品技術結構樹,支撐未來食品領域的健康和有序發展。

  食品合成生物學發展三階段

  合成生物學是新的生命科學前沿,以工程化設計理念對生物體進行有目標的設計、改造乃至重新合成,是從理解生命規律到設計生命體系的關鍵技術。合成生物學成功的產業化案例是2013年美國Amyris和法國Sanofi利用合成生物學技術聯合開發出能高效合成青蒿酸的釀酒酵母細胞工廠,并在此基礎上通過化學合成的方法將青蒿酸轉化為青蒿素,實現商業化生產。100平方米車間相當于近5萬畝(3333.3公頃)種植產量,從而建立了青蒿素從植物提取到生物合成的顛覆性生產性路線。合成生物學技術在生物醫藥領域的成功應用促使全球合成生物學研究蓬勃興起,世界各國迅速推進該領域發展。合成生物技術的研究和產業化應用正在重塑世界。然而,目前合成生物學研究主要集中在醫藥和化學品生產領域,食品領域合成生物學的基礎和應用研究起步相對較晚,發展相對薄弱。率先推進食品合成生物學的技術研究并且實現食品合成生物學技術的產業化,將搶占世界的科技前沿和產業高地。

  食品合成生物學是在傳統食品制造技術基礎上,采用合成生物學技術,特別是食品微生物基因組設計與組裝、食品組分合成途徑設計與構建等,創建具有食品工業應用能力的人工細胞,將可再生原料轉化為重要食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品,來解決食品原料和生產方式過程中存在的不可持續的問題,實現更安全、更營養、更健康和可持續的食品獲取方式。

  食品合成生物學既是解決現有食品安全與營養問題的重要技術,也是面對未來食品可持續供給挑戰的主要方法,能夠解決傳統食品技術難以解決的問題,主要包括以下4個方面:變革食品生產方式;開發更多新的食品資源;提高食品的營養并增加新的功能;重構、人工組裝與調控食品微生物群落。食品合成生物技術主要研究領域包括食品細胞工廠設計與構建、食品生物合成優化與控制和重組食品制造與評價。

  食品合成生物學發展需要經歷以下三個階段:第一階段是通過最優合成途徑及食品分子修飾,實現重要食品功能組分的有效、定向合成和修飾,為“人造功能產品”細胞的合成做準備。第二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“人造功能產品”細胞。第三階段是實現AI輔助的全自動生物合成的設計及實施;通過精確靶向調控,大幅度提高重要食品功能產品在異源底盤和原底盤細胞中的合成效率,最終實現全細胞利用。

  人造食品的總體技術路線是構建細胞工廠種子,以車間生產方式合成奶、肉、糖、油、蛋等,具有營養與經濟競爭力,實施顛覆性技術路線,緩解農業壓力,滿足日益增長的需求。相比于傳統食品制造,基于細胞工廠種子的人造食品制造能夠將土地使用效率提高1000倍,每噸糧食可節約用水90%以上,并且生產過程不需使用農藥化肥。主要人造食品包括“人造蛋”“人造肉”和“人造奶”。

  目前,美國HamptonCreek公司將豌豆和多種豆類植物混合,研發“人造蛋”,產品營養價值和味道與真蛋相似。此類“植物蛋黃醬”已經在香港等地的超市銷售。美國ClaraFoods科技公司通過酵母細胞工廠構建、發酵合成卵清蛋白,是利用生物合成技術創制動物蛋白的范例。

  “人造肉”技術被《麻省理工學院技術評論》評為2018年全球十大突破技術之一,利用“人造肉”替代傳統畜牧業具有重大的生態意義,是全球人造食品研究的熱點。傳統養殖業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畜牧業,能夠顯著降低全球溫室氣體排放。同時區別于傳統素肉,“人造肉”與肉類具有更高的相似度,因而也具有更高的商業潛力。

  “人造肉”主要包括“植物蛋白肉”和“細胞培養肉”兩大類。實現人造肉產業化生產急需攻克的關鍵技術環節包括:如何通過植物蛋白提取純化和全能干細胞分化控制實現植物蛋白、成肌干細胞的高效獲???如何通過大型生物反應器設計和細胞培養人工智能控制獲得規?;鋟從ζ饔糜諶嗽烊庵票??如何實現血紅素等風味物質高效制備和維生素等營養物質的高效合成,實現人造肉制品食品化?如何利用植物蛋白紋理結構重組和食品3D打印技術實現人造肉制品結構重塑?

  關于“人造奶”的開發和應用,美國PerfectDay公司分析牛奶中20種對人體有益及重要的原料,以合成生物技術組裝酵母細胞,實現發酵合成6種蛋白與8種脂肪酸。在分離純化后再加入鈣、鉀等礦物質及乳化劑完成最后加工,口味和營養可與天然牛奶相同,并且不含膽固醇和乳糖。最近與美國食品業巨頭ADM公司簽署聯合開發協議,計劃2019年向食品工業供應人工牛奶。據測算,相比于傳統牛奶生產方式,“人造奶”生產將減少98%的用水量,91%的土地需求,84%溫室氣體的排放,并節約65%的能源。

  食品感知科學需重視六方面

  食品感知(Sensory Perception)科學是未來食品研究的重要研究領域。食品風味的最基本組成是甜、咸、苦、酸、鮮。味覺與想象力和情感相關,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)的動力對持續掌控生活與積極性更加強而有力。因此,食品感知科學與未來食品對于人們對美好生活的追求息息相關。

  基于食品的感知科學研究需要重視的研究包括以下6個方面:研究食品的感官特性和消費者的感覺;探究感官交互作用和味覺多元性;解析大腦處理化學和物理刺激過程,從而實現感官模擬;理解感官的個體差異;多學科交叉進行消費者行為分析;評估感官/消費者的方法學。

  目前,食品感知科學在基礎研究領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果,同時確定了酸、甜、苦、咸、鮮5種味道的神經元結構。研究表明,酸味使用舌頭專用的味覺受體細胞(TRC),以精細調節大腦中的味覺神經元以觸發厭惡行為。在應用研究領域,食品感知科學在酒產品上頭和口干機理的鑒定方面得到了成功應用。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、體外腦組織培養高通量篩選技術、生化和生理學實驗,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品中引起上頭和口干的物質成分,了解其造成宿醉反應的機制,并找到減輕飲后上頭、口干的干預措施,為提升酒產品的飲后舒適度提供了重要指導。

(來源:《中國食品學報》)

  陳堅

  中國工程院院士,中國食品科學技術學會名譽副理事長,江南大學校長,博士生導師。長期從事發酵工程、食品生物技術領域的研究和教學工作。

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