未来食品:确保全球食品供应的可持续性

我们目前的食品供应系统不起作用。全球有大量的人正在挨饿，获得健康、有营养的食物的机会不平等，这也在损害地球。与到2050年，世界人口预计将增加到100亿在美国，迫切需要找到更可持续、更健康的食物供应。在这篇文章中，我们重点介绍了开发未来食品的最新研究。

我们食品供应链的挑战

“有一种观点认为，我们的食品供应链模式并不特别适合今天，但我认为更重要的问题是，它能在多大程度上满足我们未来的需求，”他说克莱尔Bomkamp他是该研究所专门研究养殖肉类和海鲜的资深科学家好食品研究所这是一个致力于加速替代蛋白质创新的全球性非营利组织。

“食品行业是一个复杂的系统，不能通过温室气体排放或鱼类生物多样性丧失等个别挑战的视角来看待。真正的问题是，随着人口和收入的增长导致对肉类和海鲜的需求增加，我们如何建立一个能够满足我们未来需求的体系?”

2018年的一项荟萃分析估计，粮食生产释放的温室气体占人类造成的温室气体总量的四分之一以上，农业灌溉约占人类使用的淡水总量的三分之二。¹同一份报告估计，地球上37%的土地面积已经用于粮食生产联合国粮食和农业组织在美国，只有7%的渔场“未得到充分开发”。这表明，地球上的资源已经非常稀缺，而用目前的方法扩大海产品生产的机会是多么渺茫。

可持续粮食供应的解决方案

2019年，国际研究人员提出了EAT-Lancet饮食计划，该饮食计划旨在可持续地养活2050年估计的100亿人口。²该计划呼吁大幅减少蛋白质摄入量——每人每天约200克——其中肉类、鱼类和蛋类仅占84克，其余由豆类和坚果构成。它的设计不仅是为了维持地球，也是为了人类的健康。

“许多慢性疾病都与我们的饮食有关，”他解释道大卫·朱利安·麦克克莱门茨，美国马萨诸塞大学阿默斯特食品科学系特聘教授。“多年来，人们一直被告知要多吃水果和蔬菜，但许多人没有时间、金钱或意愿这么做。因此，我们需要研究如何使加工食品方便、快速、实惠，但对每个人来说都是健康和可持续的。”

McClements说，有许多潜在的解决方案，从基因编辑来提高作物产量和抗灾能力，到使用机器人、自动化和人工智能来提高供应链效率。但一个不可避免的事实是，我们目前和未来对动物源蛋白质的消费是不可持续的。这就是为什么像McClements这样的研究人员正在努力设计动物性食物的替代品，这些替代品的味道和烹饪方式都相同，但对环境和我们的健康都有益。

植物性食物替代品

直到最近，McClement的研究主要集中在使用纳米技术封装维生素和营养食品，以保持它们在食品中的稳定，并提高营养物质的生物利用度。但随着替代蛋白质来源的重要性变得明显，他的研究团队转向了设计植物性食物运用食物生物化学如何影响味道、质地和外观的知识。^3.，4

“最大的挑战是动物产品具有独特的蛋白质，不同于你在植物中发现的蛋白质，”McClements解释说。“在肉中，你有这些柔软的纤维蛋白质，当你咀嚼时，它们提供了理想的质地和口感，而植物蛋白质是球形的，纳米大小的蛋白质球。我们需要把这些球哄成串，以模拟真正肉制品的纹理和微观结构。”

他们利用软物质物理原理来实现这一目标。McClements说:“如果我们将球形蛋白质与多糖混合，它们会发生相分离，组织成两层。”“当这种混合物被轻轻搅拌时，它会形成纤维结构，我们可以与一种食品级酶交联，将纤维锁定在适当的位置。”这模拟了肉的微观结构，但这只是第一步。肉制品的质地、外观和口感需要进一步的开发。“烹饪肉类的棕色来自于美拉德反应例如，当蛋白质和碳水化合物与热量相互作用时，而食物的多汁性取决于烹饪时蛋白质网络的持水特性。然后，我们可以在这些食物中添加omega-3脂肪酸或维生素，或者重新配制这些食物，以避免血糖飙升，帮助人们控制糖尿病。”

养殖肉类和海鲜

另一种方法是培养肉还有从动物细胞系中提取的鱼。事实上，目前有70多家初创企业专注于开发人造肉投入、服务和产品GFI 2020年行业状况报告在2020年底，人造肉首次出现在一家餐厅的菜单上新加坡批准了它作为一种原料在鸡块产品中。

博姆坎普说:“我觉得在过去几年里，GFI完成的最令人兴奋的事情之一，就是建立了一个研究人员社区，他们正在研究养殖海鲜和养殖肉类的不同方面。”大部分的海鲜研究仍处于早期阶段，但GFI现在已经资助了广泛的项目培养肉以及为研究团队提供的新资助用于养殖虾的纳米纤维支架,用于养鱼的藻类支架．

开发人造肉和海鲜产品的关键挑战之一是为细胞生长创造合适的支架，使最终产品具有野生肉类或鱼类的质地、口感和外观。“如果你拿一个你为牛肉设计的支架，试着在上面培养海鲜细胞，这可行吗?”也许吧，但从味道和质地的角度来看，它可能并不好，”博姆坎普解释道。“鱼类和哺乳动物肌肉的几何形状是不同的:在哺乳动物肌肉中，你经常看到大理石花纹等特征，但在鱼类中，如果你想象一下鲑鱼片，就会看到脂肪和结缔组织的白色线条，纤维与该结构呈90度角。重要的不仅仅是支架的设计，还有制造技术，以及以一种可扩展的方式开发这些技术。”

最近的进展包括开发出一种取自鱼鳍的细胞系，这种细胞系类似于成纤维细胞，但似乎分化成许多不同的细胞类型。⁵博姆坎普说:“如果有可能将一种容易生长的鱼类成纤维细胞系分化成制作鱼片所需的肌肉和脂肪细胞，这可能会改变该领域的游戏规则。”

未来的挑战和机遇

发展人造肉的道路上没有单一的障碍，更多的是从成本和规模角度出发的一系列驱动因素——即细胞培养、培养基和生物反应器的进步。博姆坎普说:“媒体可能是当今最大的挑战，但相对容易解决。”“下一个挑战将是设计低成本、易于消毒的食品级生物反应器。”

细胞、生长因子和营养物质等原料也需要考虑。“我们可以整天考虑替代蛋白质技术，但我们从哪里获得输入?博姆坎普说。“替代海鲜需要丰富的omega-3脂肪酸来源，所以我们需要能够扩大产量的供应商，无论是藻类养殖、精准发酵、植物分子养殖还是无细胞系统。”

“我们还需要了解人工养殖的海鲜和肉类在收获后会发生什么。传统的肉不仅仅是肌肉，它是经过各种老化过程的肌肉，受到屠宰前后各种因素的影响。一个主要的挑战是我们如何将其构建成一种产品，这种产品是由细胞系在食品设施中培养出来的。”

还有一些重要的与可持续粮食生产的其他方面协同．“当我们用清洁能源生产人造肉时，它就成为了一个真正好的解决方案。替代蛋白质的倡导者也需要支持清洁能源和反之亦然博姆坎普说。“传统肉类生产，特别是陆地肉类生产的一大不利因素是土地利用的变化会破坏森林及其碳捕获能力。如果我们能扭转这一趋势，用更少的土地生产我们需要的食物，这意味着什么机会?我们需要未雨绸缪，确保政策和激励措施允许以有利于气候的方式使用额外的土地。”

但是，这些挑战也为新一代具有广泛技能的研究人员带来了独特的机会。“这很容易被认为是一个科学或商业问题，而在现实中，我们需要来自各种背景和不同兴趣的人——从计算机科学家到生物反应器模型设计，再到能够烹饪这些产品的厨师，”Bomkamp说。

McClements表示:“这是一个非常令人兴奋的领域。“我从来没有遇到过这么多想在实验室工作的学生，因为每个人都对这些植物性食品充满热情，并利用它们来尝试改善人们的健康和环境的可持续性。”

参考文献

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2.王伟，Rockström J，罗肯，等。人类世的食物:饮食-柳叶刀委员会关于可持续粮食系统的健康饮食。[已发表的更正见《柳叶刀》．2019;393(10171):530][已发表的更正出现在《柳叶刀》．2019;393(10191):2590][已发表的更正出现在《柳叶刀》．2020;395(10221):338][发表的更正出现在《柳叶刀》．2020, 396 (10256): e56]。《柳叶刀》．2019, 393(10170): 447 - 492。doi:10.1016 / s0140 - 6736 (18) 31788 - 4

3.McClements DJ, Grossmann L.植物性食品的科学:构建下一代肉、鱼、牛奶和鸡蛋类似物。Compr Rev食品科学食品安全．2021; 20(4): 4049 - 4100。doi:10.1111 / 1541 - 4337.12771

4.McClements DJ, Grossmann L.简要回顾了健康和可持续植物性食品设计背后的科学。NPJ科学食品．2021; 5(1): 17。doi:10.1038 / s41538 - 021 - 00099 - y

5.Tsuruwaka Y, Shimada E.再处理海鲜废物:从鱼细胞中开发水生清洁肉的挑战。NPJ科学食品．2022; 6(1): 7。doi:10.1038 / s41538 - 021 - 00121 - 3