未来食品科学与技术

第1章未来食品发展背景 引言 食品是指各种供人食用或饮用的成品和原料，以及按照传统既是食品又是药品的物品，但是不包括以治疗为目的的物品。民以食为天。食品产业关系国计民生，是衡量一个国家或地区经济发展水平和人民生活质量的重要指标，也是世界和谐共生、健康稳态发展的重要保障。 未来食品以解决全球食物供给、资源环境、质量安全、营养健康、饮食方式和精神享受等问题为目的，利用合成生物学、脑科学、物联网、人工智能、增材制造等颠覆性前沿技术，加工制造更健康、更安全、更营养、更美味、更高效、更持续的食品，是未来人类生存和发展的基本保障。以人造肉、人造奶、人造蛋、人造鱼等为代表的未来食品产品发展迅猛，食品合成生物学、食品3D打印机、厨房机器人、人体健康纳米机器人、食品智慧感知等新技术装备不断涌现，食品细胞工厂、大规模食品无人工厂、食品安全区块链、智慧化绿色供应链等新业态正在形成。未来食品已成为未来食品高科技发展、食品产业高质量发展的指引，逐渐成为全球未来竞争发展的重要组成部分，具有明显的实际意义和战略意义。 1.1未来食品应对的挑战 食品属于典型的民生产业，肩负人、自然、工业三者未来和谐发展的重大责任。人口增长、气候变化、全球化等因素在很大程度上改变并将继续影响我们的食品体系。随着时代的发展，未来的挑战和机遇日益清晰，目前全球共同关注的焦点有以下几个方面。①人口增长问题。2030年全球人口预计达到86亿，比2021年75.85亿人口增长13.4%，对食物的需求将增加50%，2050年人口预计达到98亿，对食物需求将增加70%。②环境气候劣化问题。预计到2100年，各类主粮作物或将大幅减产，减幅预计为：玉米20%~45%，小麦5%~50%，稻米20%~30%，大豆30%~60%。③食物资源浪费问题。世界范围内每年约有13亿吨食物被浪费或损耗，约占全球食物供给量的1/3。④营养健康问题。膳食营养因素（13%）对健康的作用仅次于遗传因素（15%）。全球的营养不足与营养过剩问题日益突出，饮食导致的慢性病人群不断增多[1]。只有基于对未来人类生存环境和生活保障的科学判断，针对气候变化、人口增长、能源危机等带来的动物灾难、环境污染、饮食需求、健康风险等挑战，开展未来食品研究，才能解决全球食物供给和质量、食品安全和营养、食品方便和美味等问题，实现“吃得饱”向“吃得安全”、“吃得健康”和“吃得享受”的提升，进入食品科技高投入、高产出、高收益阶段。 1.1.1人口增长对未来食品供给的挑战 世界人口的未来发展呈现两大趋势：一方面，人口数量将急剧增加；另一方面，未来人口的结构也将发生重大变化。 截至2019年，全世界230个国家（地区）人口总数已达75亿，其中中国以14.3亿人口位居**，成为世界上人口*多的国家。据联合国人口基金会统计（图1.1），到2100年世界人口预测将突破100亿人。随着全球人口的增长和发展中国家收入的提高，食物需求将持续增长。根据联合国粮食及农业组织（FAO，简称联合国粮农组织）预测，到2050年，全球对食品和纤维的需求将增加59%~98%，全球对动物源肉类产品的需求将增加70%。但是，在发展中国家，食物预计增产的80%来自提高单产和种植密度，只有20%来自扩大耕地面积。在土地资源匮乏的国家，几乎全部增产都会通过提高单产而实现。然而，世界粮食产能潜力已经接近其理论上限，尤其是谷类作物产量曲线在某些情况下开始趋于平稳，全球大约30%的水稻、小麦和玉米产量已经达到*大值。 图1.1世界人口变化趋势 以中国为例，粮食年产量从1949年的2263.6亿斤①增加到2020年的13390亿斤；年人均占有量从400多斤增加到900多斤，高于世界平均水平。水稻、小麦、玉米三大谷物自给率保持在98%以上。然而，2018年中国进口的谷物及谷物粉为2046.9万吨，其中大豆达到了8803.1万吨，合计进口的粮食总量达到了1.085亿吨。在未来10年，随着中国人口的增长，粮食消费水平大幅度提高，对优质食物需求也在持续增加，粮食总体供需难以平衡的局面也开始呈现。因此，如果没有创新性的解决方案，未来满足食物需求将变得越来越困难。 未来人口的结构方面，根据联合国《世界人口展望2019》，1950年全球50岁以上人口约有3.98亿，2015年数量已经翻了两番，超过16亿，预计到2050年，老龄化人口数量将再增加一倍以上，达到32亿以上，到21世纪末，全球50岁以上的人口将达到总人口的40%。国家统计局数据显示，1990年中国65岁及以上人口比例达到5.6%，2000年为6.96%，2012年为9.38%，2018年为11.9%，2019年增至12.6%。2022年预计将进入占比超过14%的深度老龄化社会，2033年左右进入占比超过20%的超级老龄化社会，2050年将超过25%，与发达国家持平。之后持续快速上升，至2060年的约35%[2]。据有关方面估算，我国老年群体每年的消费潜力达到3000亿元以上，其中在食品方面的消费每年至少1000亿元。 人口结构变化，特别是老龄化人口增加必然导致食品诉求的改变。食品与营养是确保养老服务、保证老年人生活质量乃至疾病防治的重要基础。由于老龄消费者更加注重食品的功能性和健康性，因此，低糖、降血脂、高纤维等老龄食品将愈发受到青睐。世界各国为应对人口老龄化趋势，在老年人膳食方面，都采取了不同的应对措施，如美国在食品药品监督管理局（FDA）严格的监管下，有专门针对老年人的护心食品、壮骨食品和肠道保健类食品，并根据老年人味觉特点，在口感上有所调整。德国有专门的老年人食品商店，里面根据老年人不同年龄段和各种慢性病的需求，提供从主食到饮料的“一条龙”食品，如有针对老年人的方便主食，如米饭、面条等，甚至还有专为老年人设计的酒精度数偏低，同时添加了营养素的啤酒等。日本的老年食品非常发达，产品种类繁多，并且很多产品都有软烂度、咀嚼度、稀稠度等明确的指标限制。另外，保健品作为改善人体机能的食品也越来越受到人们的重视[3]。老龄人群营养保障和需求改善将给未来食品产业发展带来巨大的挑战和机遇。 1.1.2环境和气候变化对未来食品供给的挑战 半个多世纪以来，由于全球人口数量的增加、人类经济活动的增多和现代工业的发展，可用的土地和水资源越来越有限，资源缺乏限制使用现有生产方法提高生产力。将资源推向极限也会对资源和周围生态系统造成**性损害。在世界范围内资源密集型、高投入的农业应用已经造成了土壤枯竭、水资源短缺和广泛的森林砍伐。联合国粮食及农业组织和国际食物政策研究院报告指出人类在土地资源、水资源和气候变化所做的行动，已远远超过地球的负荷能力。尽管一些农业措施，如保护性耕作和免耕种植，已经有效减少了侵蚀，但土壤流失仍在继续。例如，2018年中国水土流失面积273.69万km2，占全国陆地面积的28.5%。由于全球天然资源的退化，每年物种和生态环境系统的损失占全球总产值的10%左右。目前，全球大约20%的植被生产力有下降的趋势。到2050年，天然资源的退化和气候变化可能使全球作物产量减少10%，某些地区甚至减产高达50%左右。 全球气候变化给农业和食品体系也带来了巨大的挑战。对于大多数农作物和家畜来说，气候变暖对农业的负面影响正在加剧。据美国国家航空航天局的全球气温记录（图1.２），过去10年间，大气中温室气体每年增长1.5%，其中2018年温室气体排放创下553亿吨二氧化碳当量的新高。温室气体的大量排放导致全球温度普遍升高，自19世纪80年代以来，全球平均表面温度上升了约1℃。按照目前的趋势，全球气候变暖至21世纪末将远远超过2℃。到2030年，气候变暖可能导致粮食产量减产5%，到2050年，全球变暖可能导致粮食产量降低约10%。到2080年，作物产量可能会下降30%，可能会导致1亿~4亿人面临饥饿风险。另外，全球气候变暖对农业生产的影响还可能会改变农作物的生长周期，增加病虫害防治成本。因此，在未来农业和粮食生产过程中，需要改变耕作和加工方式以适应气候变化，保证食物供给安全[4]。 图1.2全球温差的数据记录 此外，世界各国一直以追求粮食产量*大化为目标，在保证粮食安全的同时，也付出了巨大的代价，特别是环境代价。根据联合国粮农组织《2018年世界化肥趋势和展望》报告，2018年全球化肥使用量超过2亿吨，比2008年增加25%。过量的化肥造成土壤和水体的污染不断加剧。全球农业生产每年要使用约350万吨的农药，其中，中国、美国、阿根廷占到了70%，仅中国就占到了世界农药使用总量的约一半。2018年中国使用的农药约180万吨，但真正能够作用于作物发挥作用的比重不到30%，有70%在喷洒过程中都喷到了地上或者飞到了空中，给土壤水体带来严重的污染。其他方面如工业污染、大气污染等也造成整个水体的污染或者水源环境的破坏[5]。因此，生态环境所面临的挑战和压力也是前所未有的，这就迫使我们必须尽快地考虑转变发展方式，否则资源环境将难以承受未来农业和食品的发展。 1.1.3食品资源浪费对未来食品供给的挑战 经济发展导致食品供给的另一个问题就是食物浪费。联合国粮农组织《食物浪费足迹：对自然资源的影响》报告显示全球每年浪费的食物达到惊人的13亿吨，导致7500亿美元的经济损失。其中，亚洲地区的谷物、蔬菜和水果浪费问题尤为突出。每年浪费的食物所用的水相当于俄罗斯伏尔加河的年流量，且每年向大气多释放33亿吨温室气体。总体而言，世界54%的食物浪费发生在“上游”，即生产、收获后处理和储存过程；46%发生在“下游”，即加工、流通和消费阶段。每年全球1/3的食物被浪费，但同时每天有8.7亿人仍处在饥饿状态。例如，美国每年浪费食物约为2780亿美元，足以养活2.6亿人[6]。 根据联合国粮农组织研究，美国每年有30%~40%的食物被浪费，且主要发生在零售和消费阶段。食品供应链采取了一些措施以减少浪费，如改变产品标签政策等；另外还可以通过技术创新来减少浪费，如开发提高产品质量、延长货架期等方法。中国科学院在2016年发布的调研报告中指出，中国粮食浪费现象惊人，每年浪费的食物几乎是2亿人一年的口粮。我国每年在餐桌上浪费的粮食至少可以养活5000万人。另外，由于我国收获、生产和产后加工科技水平不高，粮食在收割、储存和运输环节的浪费也是惊人的。综合起来，中国每年浪费粮食约6192万吨、水果2195.7万吨、蔬菜25362.9万吨、肉类1212.1万吨、水产品824.4万吨，分别占总产量的比例为12.9%、28.6%、47.5%、17.4%、17.5%[7]。 随着各种信息的不断开发，绿色和效率必将成为未来食品的两个要素，新型包装材料、智能化加工设备、数字化技术等新科技将推动食品生产、管理、运输、销售和消费过程的透明化和可控化，从而减少食物的浪费。 1.1.4人类营养健康需求对未来食品供给的挑战 随着经济水平的提高，人们生活条件的不断改善，食品工业和农业产品日趋丰富，世界食品科技经历了以满足量的需要为主要特征的食物安全、食品安全保障阶段后，进入以满足质的需要为主要特征的营养健康食品制造新时代（大食品大健康时代），人们对于食品的要求也从“吃得饱”到“吃得健康”、“吃得享受”提升。食品产业逐步提升到食品可持续供给与营养健康保障的更高层面；食品消费也进入以满足质的需要为特征的营养健康食品制造阶段。随着未来人均可支配收入的不断增长，消费结构不断升级成为必然趋势，居民对美味多元、安全优质、营养健康的美好饮食需求也日益增加。 世界卫生组织（WHO）对影响人类健康因素的评估结果表明：膳食营养因素（13%）对健康的作用仅次于遗传因素（15%），且大于医疗因素（8%）。营养健康饮食与慢性病发病率紧密相关，食品产业是食品安全与国民营养健康的重要产业基础。目前，发达国家在营养健康领