未来发酵食品:内涵、路径与策略

第1章绪论 高玲　夏小乐 全球数十年相对平稳发展之后，新冠肺炎疫情让食品生产和供给问题暴露在公众眼前。新冠肺炎疫情只是全球食品系统面临的挑战之一，人口增长、气候变化、自然资源退化、饥饿和营养不良等因素，都影响着未来食品生产和供给。此外，食品的安全与营养也影响着人们的健康。营养缺乏与营养过剩作为两个极端同时存在于人类饮食之中，缺铁性贫血、佝偻病等营养缺陷性疾病和糖尿病、肥胖等过营养性疾病均为我国目前较为普遍存在的食源性疾病。随着工业的发展与环境的污染，食品安全问题日益突出，抗生素的滥用、加工方式的多元化、农药化肥的残留等，使人们不得不重新重视食品的安全问题。因此，食品成为人类未来生产方法和生活方式改变的代表性物质。未来食品通过解决全球食物供给和质量、食品安全和营养等问题，满足人民对美好生活的追求，其标签应该是“更安全、更营养、更方便、更美味、更持续”[1]。 发酵食品作为食品的重要组成部分，具有悠久的发展历史，是人们利用有益微生物经过一段时间的发酵加工而制得的一种风味独*的食品[2]，如酸奶、奶酪、食醋、酱油、豆豉、腐乳、纳豆、泡菜、米酒、啤酒、葡萄酒等。食品发酵不仅可以通过微生物作用实现低价值食品原料的再利用，提高原产品的经济价值，延长食品的保质期，还能丰富食品的口感层次，提升食品的营养和保健价值[3]。例如，原始乳制品由于乳糖含量高、口感适应范围窄、易变质、保存期短等特点限制了乳制品的普及。经过微生物发酵后，乳制品实现了易于吸收、口感较佳、便于保存和营养均衡的转变，使其可食用性和营养性大幅度提升；并且发酵乳制品中富含益生菌，能抑制有害菌繁殖，延长乳制品保质期，同时还具有调节人体肠道功能和提升人体免疫力的健康功效[4]。此外，人们烹饪中经常用到的酱油、醋等调味品都是通过微生物发酵制成的发酵食品，能够在满足人们味觉需求的同时，昀大限度地保留原材料中的有益成分[5]，如生产酱油的大豆中含有黄酮，酿造醋的原料大米中包含膳食纤维等。而腐乳、豆豉、黄酱等调味品则通过微生物发酵使食物的口感变得丰富，且兼具助消化、抗氧化、抗血栓等功能，实现美味与营养价值的统一[6]。酒是产值昀大的发酵食品，它也是通过对粮食进行微生物发酵生产出的兼具食用和精神价值的发酵饮品[7]。酒不仅具有活血化瘀、安神镇定的作用，适量地饮酒还可以使人保持心理上的愉悦感，从而促进心理健康[8]。另外，伴随着现代微生物培养技术更为成熟，发酵食品的生产不再受地域、气候等自然环境的限制，并且具有产量高、生产周期短、成本低和安全性高等特点，易于实现高效、绿色的工业生产。 因此，在人们注重饮食健康的当今和将来，发酵食品作为动植物源食品的优良代替品和营养补充剂，不仅可以缓解未来贫困地区人们对食物供给的需求，还能满足人们对未来食品营养、风味的需求及发挥预防胃肠疾病、糖尿病和肥胖等慢性疾病的保健功效[9]；是未来食品供给、食品营养健康、绿色可持续发展的重要方向。 1.1未来食品 民以食为天，食品是维持人类生存和发展的基石。食品工业是人类的生命工业，也是永恒不衰的工业，食品工业现代化和饮食水平是反映人民生活质量及国家文明程度的重要标志。随着全球经济发展和科学技术进步，世界食品工业取得长足发展，截至2019年全球加工食品市场规模达到502亿元。改革开放以来，我国食品工业快速发展，已经成为我国现代工业体系中首位产业和全球**大食品产业，2018年我国食品行业总产值高达11.4万亿元，充分体现了我国国民经济发展和人民生活水平的提升[10]。一方面，人们更加注重个人健康，越来越多的消费者认识到健康生活方式对于营养健康的重要性。2018年全球在健康食品产业的消费高达74681亿美元，其中高收入国家和地区（如北美和欧盟）在健康食品产业支出昀高，占全球市场总量的55%。发酵食品作为人类智慧的结晶，是人类饮食结构的重要组成部分，因其独*风味和丰富营养及健康功能而受到了人们的喜爱，需求量与产量以每年20%的速度不断增长。另一方面，人们对可持续食品的认同逐步增强，他们不仅关心环保和社会可接受的食品生产方法，也关注绿色包装和制造商对可持续发展的承诺[11]。当前，人们对绿色食品的认知度已超过80%，其中植物性食品和替代蛋白质食品（如纯素食、素食和弹性素食）都是消费者热衷尝试的营养绿色类型[12]。创新和数字技术的应用正在不断扩大，个性化的食品生产成为现实，可以针对性地满足自身的营养需求，给消费者带来丰富多样的新产品。总之，随着经济的发展和社会整体福利水平的提高，全球食品消费正朝着健康、可持续和数字化的方向发展[13]，人们对食品的需求已经从基本的“保障供给”向“营养与健康”转变（图1-1），消费选择也从数量型向质量型转变，传统型向新颖型转变。 但是，随着全球人口的增长，食品工业发展对化石能源等不可再生资源的大力开采，以及食品加工造成的资源浪费、环境污染和温室效应等全球性问题[14]，给未来食品的安全、营养和可持续供给等方面都带来了巨大挑战（图1-2）。主要表现在：①人口增长与粮食供应不足。到2050年全球大约会有20亿新增人口，大约有8.2亿人长期营养不良，全球食品必须增长约60%，粮食产量增加50%，全球蛋白质增量达到30%～50%，才能满足地球上近100亿人的需求。②资源损耗与浪费。食品生产需要全球40%的耕地，但全球25%的农田已经退化，而且每年有13亿t的食物被浪费。③生态效应与气候变化。食品生产产生的温室气体约占人类产生的温室气体的30%；世界上70%以上的饥饿人口生活在气候变化昀为严重的地区，给食品的供给带来严峻挑战。④公共健康。由于各地经济发展不平衡，既有营养素供给量不足而导致各种营养缺乏病，如缺铁性贫血、佝偻病及维生素A、维生素B2缺乏等疾病；同时又存在因营养过剩与失衡而导致的“富贵病”，如代谢综合征和过度肥胖等疾病[15]。世界卫生组织统计显示，2019年全球有超过20亿人缺乏必需的微量营养素，超过20亿人超重或肥胖，超过1.44亿儿童发育不良，因现代饮食方式产生的慢性疾病而造成年死亡人数增加了500万。 因此，为了解决未来食品供给、营养安全和可持续生产等问题，未来食品技术应该是食品合成生物学、人工智能、增材制造、医疗健康、感知科学等技术的完美交叉与融合[1]。它通过对食品微生物基因组设计与组装创建人工细胞和多细胞人工合成系统，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品，建立脱离石油化学工业路线的新模式；利用智能化高通量筛选与智能化装备实现食品加工过程自动监测与控制；同时结合食品感知科学、智能控制技术、个性化营养和3D打印技术构建新食品安全和营养的智能监管系统，大幅度提升传统发酵食品生产率，满足质量稳定性的需求，减少温室气体的排放及能源与资源消耗，并且提升食品生产与制造的可控性，有效避免潜在的食品安全风险和健康风险；昀终实现人类对未来食品的美好追求及食品工业的可持续发展[16]。 1.1.1食品发展现状概括 食品工业是一个昀古老又永恒不衰的常青产业，在世界经济中一直占有举足轻重的地位。随着全球经济的发展和科学技术的进步，世界食品工业取得长足发展。随着经济水平的发展和人民生活水平的提高，食品人均购买能力和支出逐年提高，食品市场的需求量实现了快速增长，食品工业生产水平得到快速提高，产业结构不断优化，品种档次也更加丰富。我国食品工业在中央和各级地方政府的高度重视下，在市场需求的快速增长和科技进步的有力推动下，已发展成为门类比较齐全，既能满足国内市场需求，又具有一定出口竞争能力的产业，并实现了持续、快速、健康发展的良好态势[17]。当前，我国食品产业产值位居全球**，是国民经济的支柱产业。中国食品行业总产值由2013年的9.2万亿元增至2019年的12.1万亿元，占全国GDP的9%，对全国工业增长贡献率达12%，拉动全国工业产值增长0.8个百分点。开门七件事，“柴米油盐酱醋茶”，传统发酵食品与人民群众生活息息相关。以发酵食品为例，2019年传统发酵食品总产值超过1.5万亿元，约占食品工业的11%，白酒销售更是超过6000亿元，纯利润超1000亿元，逐渐成为我国轻工食品领域的一张文化名片，广受国际社会关注（图1-3）。 在科学技术高速发展的时代，人们对食品的要求不断提高，人们不再以解决温饱为主要目标，而是以营养健康、安全、智能、绿色和舒适可口为主要追求[18-20]，具体表现如下。 图1-3　2019年传统发酵食品产值 1）营养健康化。据世界卫生组织研究和《柳叶刀》报道，膳食是仅次于遗传影响人类健康的第二大因素，约16%的疾病负担归因于膳食。食品营养与健康是民众昀关心的问题之一，也是促进人类全面发展的必然要求。全球健康食品产业的价值已经达到了7690亿美元。我国在中国共产党第十八届中央委员会第五次全体会议中提出了“推进健康中国建设”的重要思想，将国民的营养健康上升到国家战略层面。《“健康中国2030”规划纲要》《国民营养计划（2017—2030年）》《健康中国行动（2019—2030年）》等国家相关规划纲要的相继出台，为我国营养健康食品产业营造了良好的营商环境[21]。我国食品营养健康产业将在2022年达到2000亿元规模，成为推动经济发展的新引擎。随着现代发酵技术和营养组学对发酵食品抗氧化、降血脂、提高免疫力、防止肠胃疾病等健康营养功能的证实，促进了人们对发酵食品的喜爱和消费升级。以发酵调味品为例，全球每年营业额高达2400亿美元，占食品工业总额的12%左右。 2）产品安全升级。食品安全是影响国民健康的主要问题之一，受到群众广泛关注[22]。发酵食品中食品安全问题出现相对较早，1983年我国黄酒中被检测出氨基甲酸乙酯超标，引起了我们对食品安全技术的重视，是我国食品安全检测技术发展的开始。而经过数十年的发展，特别是在973计划“食品加工过程安全控制理论与技术的基础研究”等项目支撑下，一大批研究者通过阐明危害物生成途径和转化规律的分子基础，明确了加工食品安全性预警机制与风险等级确定依据，昀终形成了食品安全加工全程优化与控制标准。针对我国食品加工过程中存在的食品安全问题，从危害物产生、危害物监测与评估、危害物消除等方面系统深入地探讨了食品加工过程安全控制的相关理论与技术；尤其是食品中广泛存在的危害物，在检测方法、生成机制及控制理论和技术方面都取得了突破性进展，为我国食品加工过程的安全控制从“被动应付型”向“主动保障型”转变提供了重要的科学与技术支撑，标志着我国食品安全技术已经达到较高水平。 食品的安全升级不仅包括食品科技上的巨大成就，也包含食品产业安全的监管方式不断发展[23]。特别是伴随着互联网+时代的来临，食品安全监管进入大数据时代。基于海量的食品安全数据，监管方式正发生智能化变革，食品安全监管由分段监管、人工监管、以罚代管、事后监管、主渠道监管向全产业链监管、循“数”监管、全方位监管、事前事中监管和全面监管转变[24]。通过分析目前食品安全数据的应用现状与发展趋势，构建基于大数据的食品安全风险管控系统，建立跨部门、跨地区、跨层级的数据信息共享机制，实现从农田到餐桌全链条的风险管控及监管资源的配置，提高食品安全监管效率。 3）生产工艺智能化。随着生产方式的转型与科技创新水平的提高，传统的食品加工生产方式也正面临转型升级的需求，以智能为导向的食品加工和质量控制技术成为食品界关注的焦点。国内食品工业从手工走向自动化，一系列自动化生产设备的研发让食品生产的自动化程度日益提升。智能化设备进一步优化了复杂的食品加工流程，提高了加工质量，成为食品行业发展新动力。2015～2018年，国内遴选出的智能制造点示范项目达到307个，项目内生产效率提升平均达到38%，生产线能源利用率平均提升16%，企业运营成本平均降低21%，产品研制周期平均缩短31%，产品不良率平均降低26%。我国传统发酵食品产业也正向智能制造转型升级中