廖小军，食品科学与营养工程学院教授，博士，博士生导师，
主要从事果蔬加工和食品非热加工理论与技术研究。
廖小军，赵婧，饶雷，吴晓蒙，季俊夫，中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所徐贞贞
梳理了人类面临的食物供给不足、食物损失浪费严重、营养健康需求迫切等问题。分析和展望了未来食品热点研究领域和发展趋势
：以无土栽培、单细胞培养、生物催化等为基础的植物工厂、细胞工厂、化学合成等新型食物生产方式成为传统食物生产系统的有力补充，加之对食物新资源的挖掘和利用，实现可持续的食物供给；通过完善食物收储运和数字化供应链体系，建立基于原料和产品的合理加工方式，开发食品新型绿色加工与智能包装技术，最大限度地减少食物损失；采用挤压剪切、3D打印、纳米组装等工程化食品加工技术和智慧型工业化餐饮模式，融合大数据和感知交互的个性化设计，制造满足消费者精准需求的未来食品。总结了未来食品的新理念、新资源、新技术，以期为未来食品产业的健康和可持续发展提供一些科学的参考。
近年来，未来食品成为农业科学与食品科学界的热议话题和研究热点，通过 “future food”关键词在Web of Science 数据库搜索，近5年(2017—2021年)讨论未来食品的文章比2002—2006年增长了3倍多。2019年，美国马萨诸塞大学食品系杰出教授David Julian McClements出版了FutureFoods一书，以科普的口吻讲述了现代科学如何改变我们的饮食方式。2021年，我国食品领域知名学者陈坚院士和刘元法教授主编了《未来食品科学与技术》一书，总结了食品科学技术的最新进展，预测了未来食品科学技术的发展趋势。2019年，学术界著名出版商Elsevier创办了国际上第一本FutureFoods期刊，将如何通过发展新技术和开辟新资源来提高食品生产系统的可持续性，以应对全球气候变化和人口增多的挑战作为期刊宗。2020年，北京食品科学研究院与Elsevier合作创办了JournalofFutureFoods期刊，聚焦食品领域的颠覆性技术。除此之外，国内外相关学术刊物也相继出版特刊专栏，关注未来食品热点问题和研究成果。本研究拟从未来食品面临的挑战入手，梳理和分析未来食品热点研究领域和发展趋势，从如何获取更多的食物、如何减少食物的损失浪费、如何满足人类对食品营养健康美味和个性化的需求3个方面介绍食品科学技术的前沿成果和发展方向，旨在为未来食品产业科技创新和转型升级提供一些参考。
1 未来食品面临的挑战
食物供给不足、损失浪费严重、人类营养健康需求迫切等现实问题驱动未来食品科技革新和产业转型升级。未来食品的生产和制造需要在减少资源环境压力的基础上，满足人类对食物的多样化需求。
1.1 人口增长、环境变化、资源紧张、战争冲突危及全球食物安全供给
食物是人类生存的基础，保证食物安全供给是实现人类可持续发展的必要条件。世界人口从1950年的25.4亿增长到2021年78.7亿，总量增加了两倍。全球人口的迅速增长给食物的供给带来了严峻的考验。尽管随着科技的进步，人类利用传统方式生产食物的效率得到了显著提高，但食物供给不足导致的饥饿仍是全世界面临的主要问题。据联合国粮农组织(FAO)统计，2020年全球饥饿人口数量高达7.68亿，每年5岁以下儿童因食物不足和营养缺乏死亡的人数约有300万。同时，人类可利用的地球环境资源日趋紧张，人均耕地和水资源拥有量逐年下降，至2017年，全球人均耕地面积和水资源比20世纪60年代初均下降了约56%。不可预测的气候变化、极端天气、自然灾害等多重风险对传统食物生产系统带来威胁。另外，人类活动造成的大量碳排放对生态环境造成进一步的破坏，显著降低了生物多样性和生态恢复能力，使本就紧缺的地球可再生资源雪上加霜。近年来，全球区域冲突与战争频发。这些因素对未来的食物供给埋下了严重的隐患，如何大幅度提升食物的供给能力成为未来食品的一大挑战。
1.2 食物生产消费过程中产生的损失和浪费严重
FAO统计数据显示，全球每年食品供应链上的食物损失约占全球食物供给量的1/3，其中每年约有14%的食物在收储运和加工包装环节被损失(图1)。
图1 2016年全球食物采后损失的地区和食物种类分布情况
中亚和南亚、北美洲和欧洲都是食物损失的重灾区，根类、块茎和油料作物的损失超过25%，水果和蔬菜、谷物和豆类的损失分别可达到约22%和8%(图1)。食物在销售和消费环节产生的浪费同样不可小觑。联合国环境规划署最新发布的《食物浪费指数报告2021》指出，2019年全球食物总量的17%被浪费，达9.31亿t，其中家庭消费浪费占61%，餐厅、交通工具、学校等提供的食物服务浪费26%，食物零售浪费占13%。2015年中国城市餐饮食物浪费总量约为1 700万～1 800万t，相当于3 000万～5 000万人一年的口粮。此外，食物能量摄入过剩和营养不均衡也是食物的一种隐性浪费。近两年，新冠病毒大流行使面临食物和营养威胁的人口进一步增多，2020年全球仍有近23.7亿人无法获得充足的食物。值得注意的是，食物损失和浪费不仅是食物本身的减少，也意味着生产这些食物的过程中所投入的土地、水等自然资源的消耗和温室气体的额外排放而给环境带来的负面影响。联合国2015年发布的《2030年可持续发展议程》报告提出了17项可持续发展目标，其中第12条“负责任的消费和生产”强调指出，到2030年全球将零售和消费环节的食物浪费减半，并减少生产和供应链上的食物损失。
1.3 人们对营养健康和个性化食品的需求与日俱增
高糖、高盐、高热量、低营养的过度加工食品(ultra-processed food)在全球范围内的消费以20%～90%的年均速度增长，不良膳食结构引起的健康问题日趋严重。《柳叶刀》的调查显示，2017年饮食危险因素造成全球1 100万成人死亡，占死亡总人数的22%。我国饮食结构问题主要包括高钠、高脂、高糖、低水果蔬菜和低杂粮饮食，其造成的心血管疾病死亡率、癌症死亡率都位于世界第一位。2020年我国成年人高血压患病率高达27.5%，糖尿病患病率为11.9%，高胆固醇血症患病率为8.2%。随着消费者健康意识的觉醒，对食品营养和健康提出了更高的要求，尤其在新冠疫情的冲击下，实现饮食营养和安全的愿望持续高涨，健康意识也开始逐渐由“被动治疗”转变为“主动预防”。同时，人们的营养消费意识正逐渐从“大众化”向“个性化”转变，消费者对个性化定制营养健康食品的期待在迅速增长。英国资深营养媒体New Nutrition Business 2019年发布的食品营养与健康10大趋势中，碎片化和个性化(fragmentation & persona-lization)位列第6。
2 获取更多的食物——未来食品新型生产方式和食物新资源
到2050年，世界人口预计将达到97亿，需要全球食物产出增加约70%。未来的食物生产需要在最大限度地减少对环境、气候、自然资源依赖的同时，提高生产效率、增加食物产出、保障食物安全，实现可持续的食物供应。基于科技创新的植物工厂、藻类工厂、细胞工厂、人工合成等新型食物生产方将会迅速发展，高效生产粮食、蔬菜、肉、淀粉、油脂、蛋白质和功能性营养素等食品和组分(图2)。
图2 未来食物生产模式—技术—产品概念图
此外，对昆虫、可食花等食物新资源的挖掘和利用将从源头上提高食品原料的多元化和可持续性，保障食物供给。
2.1 植物工厂
植物工厂是在完全密闭或半密闭条件下通过高精度环境控制，实现作物在立体空间进行周年计划性生产的高效农食系统，被国际上公认为设施农业的最高级发展阶段。植物工厂可利用计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约。日本人工光型植物工厂技术全球领先，至2020年2月共建有386座植物工厂，预计到2030年，供货量将达到6.2万t，市场份额超过10%。德国Infarm公司利用高容量、自动化、模块化的种植与配送中心，生产的作物相当于10 000 m2的农田，粮食生产效率比传统土壤农业高400倍。我国陕西旭田光电农业科技有限公司推出I-farmer植物工厂，负责运营西藏阿里普兰、新疆阿勒泰白哈巴、西藏拉萨、内蒙古额济纳旗的蔬菜工厂。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所开发的高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术获得2017年国家科技进步二等奖。2021年，中国农业科学院都市农业研究所实现了植物工厂水稻种植60 d左右收获的重大突破，将传统大田环境下120 d以上的水稻生长周期缩短了一半。中国科学院植物研究所利用高效LED光谱技术和营养液调控技术，在福建建立了国际首栋1万m2蔬菜工厂，从播种到采收仅35 d，日产蔬菜1.8～2.0 t。另外，植物工厂与基因编辑技术相结合，还可以生产出高附加值的食物，2021年9月，日本已批准利用CRISPR编辑技术所培育的富含γ-氨基丁酸番茄(含量为传统番茄的4～5倍)进入市场，这是CRISPR编辑食品首次在市场出售，预示着基因编辑食品消费时代的到来。
2.2 藻类工厂
藻类富含蛋白质、膳食纤维、长链不饱和脂肪酸、维生素等营养成分，具有抗氧化、免疫调节、抗癌、保肝和抗凝等多种活性，多添加于饼干、通心粉、汉堡、鸡肉卷等食品中，用来打造“超级食品”。到2023年，藻类食品的市场份额预计达到52亿美元。传统的大型藻类，如海带、紫菜等产业规模较为成熟，而红球藻、绿藻、螺旋藻等微藻也已经实现了工厂化生产。螺旋藻是一种营养丰富、光合利用度高的微藻，在水体中大量培植微藻消耗的资源极少。目前我国螺旋藻工厂逾70家，养殖总面积约750万m2，年产量超过9 000 t，占国际市场60%以上。除直接添加和利用外，利用微藻生产β-胡萝卜素、藻蓝蛋白、虾青素、ω-3不饱和脂肪酸等功能性食品原料成为一大趋势。红球藻富含虾青素，其抗氧化能力是维生素E的550倍。中国科学院海洋研究所发现并证实多种非光依赖型呼吸代谢途径可有效调控红球藻虾青素合成积累，为大型封闭式红球藻光生物反应器的构建奠定了基础。微藻的市场化应用仍面临规模化、标准化养殖，低成本脱水、功能成分提取等技术瓶颈，一旦突破了这些技术瓶颈，藻类工厂作为未来食物新型生产方式将具有更高的市场价值和可持续性贡献。
2.3 动物细胞工厂
目前产业化的动物细胞工厂多用于糖基化活性蛋白等医药产品的生产，以弥补原核细胞表达系统在转录和修饰方面的缺陷。在食品领域，利用大规模动物细胞培养进行替代肉的生产，是目前关注的热点。细胞培养肉基于干细胞的分化和增殖特性，利用组织工程技术，体外培养动物干细胞，结合特定的支架系统组装成与动物肌肉组织高度相似的模拟肉。用于培养肉生产的干细胞必须同时具有无限、快速增殖而不损失干性且不发生性状改变或失去分化的能力和稳定、高效分化成为肌肉组织的能力。2013年荷兰科学家Mark Post用细胞培养牛肉制成了第一个人造肉汉堡，标志着细胞培养肉的诞生。2021年日本科学家利用3D生物打印技术成功组装了含有肌肉、脂肪和血管的整块和牛肉。与传统养殖肉相比，培养肉系统可以将肉类的生产周期缩短到几周，并且占用的土地面积、消耗的水资源、温室气体的排放量、能源的消耗都大幅度降低，有望成为一种兼具高效和可持续的生产方式。目前全球已有包括Good Meat、Aleph Farms、周子未来等在内的超过30家公司进行细胞培养肉的研发和生产。2021年世界第一家细胞培养肉工厂落地以色列公司Future Meat Technologies，该公司利用培养基过滤再生等技术将单份细胞培养鸡胸肉的成本降低到每磅7.7美元。未来随着干细胞全能性调控、无血清培养、大规模生物反应器等技术的发展，动物细胞工厂将得到更加广泛的商业化应用。
2.4 微生物细胞工厂
图3 微生物细胞工厂的DBTL原则和技术策略
微生物细胞工厂是通过在微生物细胞中表达异源生物合成途径来生产目标化合物的生产模式，是未来食物生产的另一种重要实现形式。基于Design-Build-Test-Learn(DBTL)原则，通过路径优化、表达微调控、蛋白质工程、合成骨架设计、模块组装、遗传回路、CRISPER剪辑、机器学习等技术，微生物细胞工厂可以实现蛋白质、氨基酸、碳水化合物、脂肪酸、维生素等的高效生产(图3)。2021年中国农业科学院饲料研究所首次实现了利用乙醇梭菌以工业尾气一氧化碳(CO)为主要原料生产蛋白质，并已形成万吨级的工业生产能力。瑞典Mycorena公司采用混合菌种发酵生产和推出了用于替代肉的食用真菌蛋白PromycTMVega。Quorn公司从Fusariumvenenatum菌丝体中分离得到的真菌蛋白，制成了天然浓缩蛋白粉，已在全球17个国家消费。Kang等利用模块化酶组装技术，使工程化大肠杆菌合成类胡萝卜素的效率提高了5.7倍，将酿酒酵母合成番茄红素的产量提高到2 300 mg/L。随着系统生物学和合成生物学的进步，更多理性计算和工程设计方法将被引入到微生物细胞工厂的构建过程中。通过选择关键代谢流调控靶点，降低目标化学品合成与菌株生长、副产物积累之间的代谢竞争，优化合成路径整体催化效率，将进一步提高工程菌株的生产潜能，为未来食物资源的供给提供另一层保障。
2.5 化学合成
化学合成不依赖生物体，在工艺成熟的条件下可以达到比自然生产更高的效率。化学合成多用于食品添加剂和营养素的合成，还很少有用化学方法合成食品的研究。天然营养素具有很好的生物活性，但其在生物体内含量非常低，通过提取分离进行大量制备，成本高、难度大，严重制约其开发利用。1890年Emil Fischer完成了葡萄糖分子的合成，开拓了天然产物化学全合成的新篇章。如今，包括维生素B12、维生素C、人源胰岛素等都实现了化学全合成或生物与化学全合成。随着有机合成方法和技术的不断提高，天然产物的化学全合成得到快速全面发展，科学家们甚至为众多食品活性天然产物分子开发出了多条全合成工艺路线。2021年中国科学院天津工业生物技术研究所利用由11步核心反应组成的人工淀粉合成途径(artificial starch anabolic pathway, ASAP)偶联化学催化与生物催化反应，实现了从二氧化碳和氢气到淀粉分子的人工全合成，首次开辟了一条不依赖于植物光合作用的淀粉合成新途径(图4)。该方法合成淀粉的效率约为玉米淀粉合成的8.5倍，理论上1 m3大小的生物反应器的年淀粉生产量相当于约0.33 hm2(5亩)玉米地的年淀粉产量，使二氧化碳到淀粉的工业车间制造成为可能。
图4 从二氧化碳到淀粉的人工全合成
2.6 食物新资源
除了新型生产方式外，挖掘自然界未被利用的新资源也是获取更多食物的有效途径。昆虫作为一种潜在的食物资源被FAO推荐应用，昆虫存在于全世界20亿人的传统饮食中，可食种类超过3 000种。可食昆虫是优质的蛋白质和能量来源，富含单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，并且含有铜、铁、镁、磷、硒、锌微量营养素和核黄素、泛酸、生物素等营养成分。目前多数可食昆虫原料以整体方式应用于食品开发中，如将蟋蟀、黄粉虫、蚕蛹等以干粉或者浆液的形式应用在面包、能量棒、饼干等食品加工。Tello等将黄粉虫通过冷冻、研磨、离心、均质等工艺制成含5.76%脂肪和1.19%蛋白的昆虫乳，经测算产生的环境负担是传统牛乳生产的59.1%，然而将昆虫整体利用易产生不良气味，限制了其在食品中的应用。如何有效地分离昆虫中的蛋白质、脂肪等成分，去除抗营养、过敏和异味成分，是高效利用昆虫资源的技术瓶颈。花作为植物的生殖器官，含有丰富的营养和生物活性成分，既可以直接食用，也具有加工为高附加值产品的潜力。人类已有食用花的悠久历史，如菜花、西蓝花、南瓜花等是常见的蔬菜，另外还有许多花被用作药材或者调味品，如豆蔻、玫瑰、菊花等。Lu等报道了全球有180多种可食花被用于日常饮食，花的可食部位常随品种不同而有差异，花瓣、花蕊、花粉、花蜜等均可被食用。除了昆虫和可食花之外，未来将有更多未被利用的食物资源进入食品工业，为日益增长的世界人口提供更加多元化的食物供给。
3 减少食物损失——未来食品供应链减损与加工技术
造成供应链食物损失和浪费的原因包括采后处理不当、缺乏储藏技术和设施、加工技术落后、包装和运输方式不当等，未来食品将从构建完整和精准的可控冷链体系，针对不同原料采取合理的加工方式，采用绿色高效的加工技术和智慧型包装技术等方面，最大限度减少食物损失，提高食品供应链的持续性。
3.1 聚焦供应链环节的食物减损技术
农产品的采后储藏、运输和分配是产生食物损失的最主要环节。在收储运过程中，食物极易发生生物和物理化学反应，导致成分和状态改变、品质降低，微生物繁殖引起食物腐败变质，这些共同导致了食物的采后损失。在我国，储藏不当导致的粮食损失率为5.7%～8.6%，果蔬损失率则高达15%。控制食物收储运过程中成分变化和微生物繁殖是降低食品损失的主要途径，这有赖于对收储运过程的环境因素(温度、湿度、氧含量等)以及收储运时间的精准把控。减少未来农产品的收储运损失，一方面需要提高产地预冷和商品化处理水平：发展产地及时预冷技术，实现从采收到冷链的无缝对接，减少收储运的时间，降低易腐坏农产品的损失；针对不同的农产品原料，因地制宜地制定精准的采收标准，进行采后分级和初级商品化处理，精准匹配后续加工环节。另一方面需要建立高效、完整和精准可控的冷链物流体系：通过提高制冷速率和稳定性、新型保鲜技术、合理包装设计提高冷链的效率；通过环境因素和致腐因子动态监测、货架期预测保证冷链完整性和精准控制。将RFID、无线传感器网络、近场通信和压缩传感等物联网技术用于监测鲜活农产品在冷链中的运输位置、周围环境、成分变化等信息，进行路线优化、货架期预测和能耗优化，提高冷链安全性和决策的准确度。此外，大数据、云计算、区块链、AI等技术将应用于智能化冷链物流体系的整合和低碳足迹冷链体系的构建，引领食物收储运的数字化升级。
3.2 基于不同原料和食物要求的合理加工方式
FAO采用的NOVA分类系统将食物分为未加工和最少加工食品(unprocessed and minimally processed foods)、加工食品配料(processed culinary ingredients)、加工食品(processed foods)和过度加工食品(ultra-processed foods)四类，其中过度加工食品是高收入国家食品产业链中占比最大的品类，在中高和中低收入国家的占比也在逐步上升。食品的过度加工不但造成资源浪费，而且损耗食品中原有的营养成分，降低食品品质。如传统超高温灭菌虽然能有效杀灭微生物，保证产品安全性，但也会极大破坏乳铁蛋白、β-乳球蛋白等活性物质，造成营养品质的损失。采用0.09 s超瞬时杀菌技术和低温无菌灌装技术，可以更多保留牛奶中的乳铁蛋白等天然活性物质。
针对不同原料和不同产品，可分别采用“最少加工”“适度加工”“深度加工”“综合利用”的合理加工方式，实现资源利用的最大化，这是未来食品加工减损增值和可持续发展的重要途径(图5)。
图5 食物原料—加工方式—可持续发展的三维模式图
以果蔬汁加工为例，传统果蔬汁采用浓缩还原加工方式，导致产品营养成分损失严重，基于超高压技术的“最少加工”方式则能有效保留维生素C、花色苷、超氧化物歧化酶等营养物质，显著提升产品品质，同时避免了外源添加成分造成的潜在安全问题，打造“清洁标签”。对于谷物、粮油等原料，则需要合理确定加工精度，进行“适度加工”，严格限制过度加工，提高食品加工和转化利用率，实现“原料减损”。以水稻为例，将水稻适度加工为可食用的糙米，原料损失率仅为20%，是加工为精米的1/3。另外，对于一些食品原料，需要进行“深度加工”。比如辣椒，进行辣椒油、辣椒碱、色素等功能活性物质提取等深加工，可显著提高辣椒产品的附加值, 实现“增值开发”。对于农产品加工产生的副产物，如稻壳、小麦麸皮、苹果皮渣等，采用“综合利用”的加工方式，进行纤维素、蛋白质、果胶等高附加值成分的提取，也可以实现原料增值。因此，依据不同食品原料和目标产品，通过合理的加工方式，可以显著降低食物加工过程中的损失，实现可持续发展的目标。
3.3 绿色高效可持续加工技术
传统食品加工方式低效率、高能耗、多排放，严重制约了食品产业的健康发展。未来食品的绿色加工将致力于用更短的时间、更低的温度、更少的溶剂和能耗，实现食品的杀菌、转化和提取等加工过程的“节能降耗”，是一种可持续的食物加工方式。超高压、超临界二氧化碳、脉冲电场、冷等离子体等非热加工技术应用于食品制造，引领了未来的食品加工发展方向。微波、欧姆、超声、磁场等新型热加工技术取代传统热加工，可提高烹调、干燥、杀菌、提取等效率的同时，减少热加工对食品品质的破坏。膜分离、超微粉碎、挤压剪切等分离改性和重组技术打破了传统食品加工的局限性，通过组分分离或改变原料性质使其得到最大化利用。此外，纳米技术、射频技术等新兴技术也逐渐得到研发和应用，为食品加工的提质增效提供了新的思路。同时，利用人工智能(AI)、虚拟仿真、设备智联、远程运维等增强加工技术之间的耦连，促进加工环节的数字化交互，实现复杂加工过程拟真和智能控制，制定全过程优化策略，将进一步提高食品加工流的协同生产能力，实现绿色、高效、可持续的食品加工。
3.4 智能包装技术
智能包装是能够实现智能功能(如检测、传感、记录、追踪、沟通、应用科学逻辑)以促进决策的包装系统，如新鲜度指示包装、时间- 温度传感器(TTI)、RFID信息型包装等。智能包装主要基于其自身检测、传感和记录功能向消费者传递食品的安全和质量信息。利用智能包装可以有效延长食品货架期，提高食品的安全性，降低食品损失，同时最大限度地保持食品的风味、口感和营养价值。现阶段的食品智能包装都是根据产品成熟或腐败过程中产生的物质等做出的“被动”调整，而未来食品的智慧型(SMART)食品包装将能够在感知、监控食品状况的基础上，智能化地对不同状态或不同成熟度的食品做出“主动”调整。如对成熟度不够的水果，相应的包装能够通过外界条件的改变快速达到催熟水果的效果，使消费者在某个时刻享受到新鲜的水果，同时大大降低食物的储运损失。传统的抗菌包装中的抗菌物质都是持续向食品中释放的，而Aytac等开发了一种多刺激响应型抗菌静电纺丝纤维，由纤维素纳米晶体、玉米蛋白和淀粉制成，加入环糊精包合的百里香精油、柠檬酸和乳酸链球菌素等天然抗菌物质，当这种材料“感受到”湿度增加或来自有害细菌的酶时，包装中的纤维能够释放天然抗菌化合物，杀死污染食品的常见危害细菌，有效避免了防腐剂滥用的问题。此外，结合传感器、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等技术的智能包装，将帮助消费者更精准地感知食品的品质与安全，对降低食物的损失和浪费具有重要作用。
4 满足消费者需求——未来食品多元化和个性化设计
消费者对营养健康和个性化食品的需求与日俱增，在饱腹之余对食物的营养、安全、美味和精神享受提出了更高的要求。一些消费者希望食物的外在形式更加丰富，一些消费者对食物的内在成分和健康裨益有所期待；同时，消费者还希望未来食品能够量身定制，满足其在营养和美味等方面的个性化需求。借助挤压剪切、纳米组装、3D打印等工程化加工技术，通过智慧型工业化餐饮模式构建，融合大数据和感知交互食品设计，未来食品制造将更加多元、更具特色、更加智慧、更有内涵。
4.1 工程化食品
图6 利用细胞培养和3D生物打印组装的拟真整块牛肉
工程化食品(engineering food)是将食物原料中的基本组分、营养素、风味物质等分离出来，利用挤压剪切、超微粉碎、乳化均质、纳米组装、增材制造等工程化技术，实现产品质构、风味等的重塑，亦可通过选择性添加功能性成分进行营养强化，最终制作出比天然食品更加营养、安全、美味、方便的食品。利用高水分挤压、Shear Cell、定向冷冻等新兴技术，可以将植物蛋白为代表的替代蛋白加工为具有高度类似动物肉纤维结构和质构特征的替代肉制品。替代肉不仅可以满足消费者对肉类口感和滋味的追求，还能够降低动物性成分摄入过多对人体健康带来的负面效应(肥胖、心脑血管疾病等)。全球已有Beyond Meat、Impossible Foods等超过400家公司进行植物肉研发和生产，2021年市场规模超过50亿美元。利用3D打印技术，消费者可以设计和制造具有定制形状、颜色、风味、质地结构和营养的食品。通过3D打印可以生产质地柔软的食品来解决老年人咀嚼困难的问题，也可以生产形状新颖的健康零食满足儿童的营养需求。利用纳米纤维素晶体独特的界面性质和自组装特性制备的水凝胶和高内相乳液具有优良的3D打印自支撑性，为未来食品的定向制造提供了更多的可能性。2021年，日本科学家利用3D生物打印技术成功组装了含有肌肉、脂肪和血管且与商业牛排高度相似的整块和牛肉(图6)。利用脂质体、纳米乳液、皮克林乳液、纳米胶束等递送体系对膳食营养素进行封装保护和靶向控释，可以提高营养素的稳定性和生物利用率，实现精准营养干预。
4.2 智慧型工业化餐饮
未来餐饮将从传统的劳动密集型加工向工业机器人和自动化生产等方向转变，实现“工业4.0”和大数据时代下的智能制造。利用机械设计、人工智能、机电一体化等技术模拟厨师的操作过程，复刻菜肴烹调技法；利用大数据收集原料、切配、烹制、调味、成盘、人群需求、设备参数等信息，建立科学的烹饪数据库，形成准确量化的参数图像；通过多元传感器(质量、体积、黏度、盐浓度等)自动监控菜肴烹饪过程，蓝牙、射频、近场通信等将烹饪设备互联，食谱指令的计算机编写和传输，将建立信息交互的智能烹饪系统，实现烹饪过程的标准化和数字化控制。未来智慧化餐饮业在“互联网+”和物联网技术的支持下，依托行为识别、语音互助、机器学习等人工智能技术，联合烹饪机器人、包装机器人、服务机器人，将实现订单预约、自主点餐、后厨互动、前台收银、产品追溯等系统化管理，实现自动化的食物供应，显著减少餐饮业的人工成本、提高供餐速度、保障食品安全。此外，中央厨房与原料基地、配送链、社区、客户等紧密互联的“中央厨房+”模式将彻底改变传统的餐饮格局，满足未来餐饮的多元化需求。例如，2019年5月上海市利用中央厨房生产了糖尿病餐、高血压餐等20余种特殊餐品，结合网络平台直送社区终端，为有特殊需求的老年人解决了三餐难题。数字化与智慧化相结合的未来餐饮不但能够优化膳食结构，提高饮食的营养健康水平，而且将大大提高食物供应效率，提升食品应急保障等能力。
4.3 大数据与食品个性化设计
利用消费、健康和食物大数据，针对不同人群的身体特征和饮食习惯，可以精准制造具有不同功能属性的食品，精确管理日常膳食，提供给消费者定制的营养和美味。Freyne等编辑了一种算法，针对512名使用者的身体状况，给出推荐食谱，从而改善使用者的肥胖状况。2022年冬奥会建造的智慧食堂，针对不同训练阶段运动员的身体状况提供营养食谱，运动员仅需人脸识别便可以得到适合的个性化餐食。将大数据分析技术与食品组学技术结合，通过建立微生物组、饮食、生活方式、遗传和健康之间的相互关系，可以开展高精度个性化食品设计。Wolever借助机器学习，结合血液参数、饮食习惯和肠道微生物群大数据制定的个性化饮食可以优化餐后血糖水平。此外，利用感知科学、移动互联等技术，为消费者提供专属的感官体验，也是未来食品个性化设计的发展方向。Li等[84]利用表面触觉技术在手机等触屏表面实现力学反馈，让消费者线上消费时可以获得触摸真实食品的直观感受。大数据、感知交互等技术与食品科学的交叉融合将使全面满足消费者对食物的个性化需求成为可能，驱动食品的精准设计。
5 结论与展望
人口增长、气候变化、资源耗竭、食物损失和浪费以及人们日益增长的对美好生活的向往对未来食品提出了严峻的挑战，同时也驱动了食品科技的加速创新。低碳足迹的未来食品对全球可持续发展目标的实现具有重要意义。人类将通过农业生产方式变革、食物新资源挖掘、加工技术革新、供应链升级、产品多元化创新等途径，在保障食物供给的同时，使未来食品能够满足人类对食品营养、安全、美味、方便、个性化等各方面需求。基因编辑、大数据、物联网、区块链、工业机器人、智能传感器、虚拟现实等技术与食品科学的融合将使未来食品产业呈现出绿色、高效、智慧、精准、多元的新业态。作为食品科技工作者，树立“大食物观”，探索未来食品发展的科学途径，是不可辜负的时代使命。
基金项目： 国家自然科学基金重点项目(31930087)。
来源 | 食品科学技术学报
编辑 | 陈敏扬
责编 | 赵竹村 于哲 姜萍萍 郑诗盈
✦+
+
RECENTLY RELEASED
毕业一年，他们怎么样了？
“智禾”家族，专场发布！
关注微信
