李兆豐，孔昊存，劉延峰，劉元法，陳 堅*

（1 江南大學(xué) 未來食品科學(xué)中心 江蘇 無錫 214122 2 江南大學(xué)食品學(xué)院 江蘇 無錫 214122 3江南大學(xué)生物工程學(xué)院 江蘇 無錫 214122）

食品產(chǎn)業(yè)關(guān)系國計民生，其高質(zhì)量發(fā)展是促進經(jīng)濟增長，滿足人民美好生活需要的重要基礎(chǔ)。伴隨著氣候變化、人口增長、能源危機等帶來的生存風(fēng)險，以及人們生活水平和物質(zhì)需求的提高，消費習(xí)慣和消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變升級對食品科學(xué)技術(shù)和食品產(chǎn)業(yè)體系提出了更高的要求，同時也給全球食品帶來了更大的挑戰(zhàn)[1-2]。目前，新一輪工業(yè)革命正在加速重構(gòu)全球食品創(chuàng)新版圖，重塑食品產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，新一代信息技術(shù)、顛覆性生物技術(shù)、智能制造技術(shù)等在食品領(lǐng)域不斷滲透融合，顯現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，催生出“安全、營養(yǎng)、方便、個性化”的產(chǎn)品新需求和“智能、節(jié)能、環(huán)保、可持續(xù)”的產(chǎn)業(yè)新追求，為未來食品的發(fā)展提供了機遇。

未來食品是未來生產(chǎn)方法和生活方式改變的代表性物質(zhì)，其以解決全球食物供給、資源環(huán)境、質(zhì)量安全、營養(yǎng)健康、飲食方式和精神享受等為目標，利用合成生物學(xué)、感知科學(xué)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、增材制造等顛覆性前沿理論和技術(shù)，為全球食物供給和質(zhì)量、食品安全和營養(yǎng)、飲食方式和精神享受等問題提供更加有效的解決途徑（圖1），將引領(lǐng)食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向[3-5]。近年來，國內(nèi)外未來食品的研究機構(gòu)、平臺和組織不斷建立[6-8]，相關(guān)的期刊和學(xué)術(shù)會議持續(xù)出現(xiàn)[9-12]，專業(yè)書籍紛紛出版[13-15]。未來食品的蓬勃發(fā)展，將對食品科學(xué)基礎(chǔ)研究的深化，食品領(lǐng)域創(chuàng)新技術(shù)的開發(fā)，食品新興業(yè)態(tài)的創(chuàng)構(gòu)以及食品產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和健康持續(xù)發(fā)展起到巨大助推作用，也將為人類提供更安全、更營養(yǎng)、更美味、更可持續(xù)的食品。多學(xué)科與新技術(shù)的深度交叉融合、相輔相成，既是未來食品發(fā)展的標志和必要條件，也為未來食品的迅速成長提供了機遇[1，16]。鑒于此，本文以植物基食品、食品感知科學(xué)、食品智能制造、食品生物技術(shù)和食品組學(xué)為代表，介紹未來食品面臨的機遇與挑戰(zhàn)。

圖1 未來食品的核心內(nèi)容Fig.1 Core contents of future foods

1 植物基食品將成為未來食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流方向

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析

植物基食品是以植物蛋白替代動物蛋白制成的一類食品，例如植物基肉制品纖維狀結(jié)構(gòu)的形成與保持，可賦予產(chǎn)品與動物肉相似的外觀及口感[17]。作為未來食品的代表，植物蛋白肉在健康、安全、環(huán)保等方面均較傳統(tǒng)養(yǎng)殖肉類具有顯著優(yōu)勢，目前已成為消費者基于追求個人健康及關(guān)注全球生態(tài)的一種生活方式，也是未來食品科學(xué)發(fā)展的重要方向[18]。植物性食品協(xié)會（PBFA）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年全球人造肉市場規(guī)模約121 億美元，且每年預(yù)計以15.0%增長；國際植物基食品領(lǐng)域的投資也在2020年暴漲，植物蛋白食品公司的總投資額達到21.5 億美元，是2019年的3 倍；根據(jù)美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）預(yù)測，到2024年，植物基食品的市場規(guī)模預(yù)計將達到4 804.3 億美元，復(fù)合年增長率為13.82%。

目前，植物基肉制品在質(zhì)構(gòu)、口感、風(fēng)味與營養(yǎng)等品質(zhì)上與真實肉制品仍然存在較大差距，還有一系列關(guān)鍵問題有待深入研究，亟需在質(zhì)構(gòu)仿真、營養(yǎng)優(yōu)化、風(fēng)味調(diào)節(jié)及成品定制等方面取得突破[19]（圖2）。此外，我國植物基食品產(chǎn)業(yè)尚處于萌芽時期，具有我國傳統(tǒng)特色的植物基食品研發(fā)力度不夠，同時存在加工工藝技術(shù)單一、加工水平較低等問題，難以完全支撐產(chǎn)業(yè)化。尤其是植物基食品加工制造關(guān)鍵核心技術(shù)的缺失，使整肉模擬技術(shù)尚未達到大規(guī)模工業(yè)化等級，并且肉味香精包埋技術(shù)不成熟、緩釋效果有限。鑒于此，通過對植物基蛋白重組及品質(zhì)提升關(guān)鍵技術(shù)的研究，突破標準化、模塊化、柔性化、智能化的植物基肉制品生產(chǎn)技術(shù)具有重要意義，對我國肉制品行業(yè)乃至食品行業(yè)的供給安全至關(guān)重要。

圖2 植物基食品的主要任務(wù)Fig.2 Critical tasks of plant-based foods

1.2 主要任務(wù)

隨著世界人口數(shù)量的快速增長和人類社會的發(fā)展進步，對食品的需求在數(shù)量與品質(zhì)上都在不斷提升。為了應(yīng)對糧食危機和消費者對肉類食品的需求，以植物蛋白設(shè)計與重組技術(shù)制備的植物肉被廣泛重視[20]。植物基肉制品的生產(chǎn)占用的土地很少，在資源可持續(xù)和環(huán)境保護方面的潛力巨大，可能成為未來食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主流方向。實現(xiàn)植物基食品產(chǎn)業(yè)化和高質(zhì)量供給需要重視以下4個方面的研究工作。

1.2.1 質(zhì)構(gòu)仿真 植物基肉制品的生產(chǎn)主要采用雙螺桿擠壓機的高水分擠壓技術(shù)，所用的拉絲蛋白受擠壓方法和原料性質(zhì)的影響較大，因此植物基肉制品在形態(tài)和質(zhì)構(gòu)上的可控性較差[19]。由于植物蛋白與天然肉類蛋白在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，植物蛋白保守的空間結(jié)構(gòu)使其聚集行為難以控制，最終導(dǎo)致產(chǎn)品黏度增加，口感粗糙。為有效模擬天然肉的口感，需要改善植物蛋白的質(zhì)構(gòu)仿真程度，主要方法包括物理擠壓、化學(xué)添加以及生物酶改良等[18]。其中缺乏肌肉蛋白特有的纖維結(jié)構(gòu)，是植物基肉制品品質(zhì)較差的主要原因之一。有研究人員通過開發(fā)穩(wěn)定性與特異性優(yōu)良的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶及各類蛋白酶，利用蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶和蛋白質(zhì)天冬酰胺酶分別催化蛋白質(zhì)中谷氨酰胺和脫酰胺，可以調(diào)節(jié)蛋白交聯(lián)程度，促進植物蛋白質(zhì)類纖維結(jié)構(gòu)的形成，從而提升植物基肉制品的口感[21]。在此基礎(chǔ)上，還需進一步研究植物基蛋白在結(jié)構(gòu)組織化加工過程中，物料組成、蛋白結(jié)構(gòu)、流變學(xué)特征等原料性質(zhì)與產(chǎn)物纖維結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)等性質(zhì)的相關(guān)性，建立原料性質(zhì)-組織化蛋白微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)系，構(gòu)建產(chǎn)品纖維結(jié)構(gòu)和質(zhì)構(gòu)預(yù)測與調(diào)控策略，提升植物基肉制品的質(zhì)構(gòu)擬真度。

1.2.2 營養(yǎng)優(yōu)化 目前，植物基食品的蛋白組分主要來自大豆蛋白和小麥蛋白等，由于缺乏對植物蛋白與動物蛋白在營養(yǎng)特征關(guān)鍵因子差異上的深刻認識，植物基食品營養(yǎng)功能與真實肉制品之間的營養(yǎng)品質(zhì)仍存在一定差距[22]。隨著人們對植物基食品營養(yǎng)價值需求的提升，花生蛋白、豌豆蛋白等其它來源的植物蛋白也開始作為配料用于植物基食品的生產(chǎn)。通過分析植物蛋白肉原料有效蛋白組分、品質(zhì)與真實肉制品的差異，確定影響植物蛋白肉品質(zhì)的關(guān)鍵成分，有效重組具有不同植物蛋白的氨基酸組成及營養(yǎng)成分，是提升植物基食品營養(yǎng)品質(zhì)的關(guān)鍵[23]。此外，可以借助微生物代謝工程，構(gòu)建食品級微生物細胞工廠，合成優(yōu)質(zhì)蛋白或營養(yǎng)組分，逐步提升植物基食品的營養(yǎng)價值[18]。

1.2.3 風(fēng)味調(diào)節(jié) 一方面，大豆等豆類原料中存在醇、醛等揮發(fā)性物質(zhì)，造成大豆蛋白制品特有的豆腥味，植物油脂的氧化也容易導(dǎo)致不良風(fēng)味的產(chǎn)生，嚴重影響植物基食品的風(fēng)味和口感[19]；另一方面，肉味香精的包埋效果較差，緩釋效果不足，難以完全模擬真實的肉香[24]。以熱處理、高剪切等手段改變蛋白質(zhì)的聚集方式，對植物蛋白進行微?；?，形成納微尺度（1～10 μm）和相對有序、剛性空間結(jié)構(gòu)的顆粒，獨特的尺度效應(yīng)、表面及分散性可以賦予植物蛋白順滑細膩的口感，遮掩其不良風(fēng)味；應(yīng)用醇、醛脫氫酶破壞醇、醛分子，同時補充復(fù)合蛋白酶降苦味肽生成氨基酸（美拉德反應(yīng)前體），也可以顯著改善植物基食品的風(fēng)味[25]。未來還需對大豆蛋白的異味物質(zhì)及產(chǎn)生機制進行深入研究，探尋安全、高效且能將異味物質(zhì)徹底清除的方法，并通過優(yōu)化美拉德反應(yīng)條件和篩選肉味香精原料配方，以得到風(fēng)味純正的肉味香精及其包埋緩釋技術(shù)，使植物基肉制品在烹飪和食用時具有真實肉類風(fēng)味。

1.2.4 成品定制 肉質(zhì)感是消費者接受植物基肉制品最重要的指標。植物基肉制品應(yīng)具有組織纖維緊密、柔嫩多汁、富有彈性且有嚼勁的特性，然而，目前市售的植物蛋白肉的肉質(zhì)纖維感不強，整體質(zhì)地較松散，無咀嚼脂肪、軟骨、筋膜等口感[26]。植物基肉制品的三維結(jié)構(gòu)直接影響消費者對產(chǎn)品的認可度，而植物基肉制品纖維狀結(jié)構(gòu)的形成與保持可賦予產(chǎn)品與動物肉相似的外觀及口腔質(zhì)構(gòu)感知。因此，實現(xiàn)植物基食品的增材制造與成品定制有助于降低成本并滿足消費者需求[27]。應(yīng)用食品增材制造技術(shù)對植物基食品的結(jié)構(gòu)進行重塑，可產(chǎn)生緊密而又富有彈性的三維結(jié)構(gòu)；利用食品級材料，通過3D 打印和激光技術(shù)，制造結(jié)構(gòu)上高度仿真而仍保持柔韌的人造血管，可實現(xiàn)致密肌肉組織的模擬效果。除此之外，食品增材制造技術(shù)還可以實現(xiàn)對植物基肉制品的肉質(zhì)顆粒度、堅韌性進行可編程的局部控制[28-29]。在此基礎(chǔ)上，進一步開展整塊植物基肉制品的二次成型技術(shù)、植物蛋白的風(fēng)味脫除以及植物基肉制品的風(fēng)味賦予和控釋途徑研究，以實現(xiàn)植物基肉制品風(fēng)味的有效保持和提升，從而突破整塊植物基肉制品的成品定制和連續(xù)化大規(guī)模制造技術(shù)。

2 食品感知技術(shù)將成為享受型未來食品消費的必然需求

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析

食品的外觀、色澤、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)等感官印象是決定食品品質(zhì)的重要因素，這些因素帶來的刺激主要是通過眼睛、耳朵、鼻子、口腔等生物感受器官感知。食品感知科學(xué)是未來食品研究的重要領(lǐng)域之一，主要針對食品復(fù)雜的物理、化學(xué)特性以及生理、心理特征開展研究，包括食物感官刺激的物質(zhì)基礎(chǔ)，感覺形成的生理途徑以及客觀刺激感受與消費者情感反饋的關(guān)系等研究內(nèi)容[4]。在多元刺激與感知交互中，食物刺激與消費者情緒認知的影響是雙向的、相互的。一方面，情緒影響著人們的攝食欲望以及對食物刺激的反饋；另一方面，食物攝入產(chǎn)生的刺激也會影響人的心情，這種情緒認知會進一步影響消費者對食物的感知[30]。

近年來，隨著食品科學(xué)及其檢測技術(shù)的快速發(fā)展，食品感知科學(xué)的理論不斷豐富，食品感官品質(zhì)逐漸變成一種清晰、可定性定量的科學(xué)理論，并且能從分子層面解釋和預(yù)測[31]。例如，食品風(fēng)味主要由甜、酸、苦、辣、咸、澀、鮮味混合，這些風(fēng)味刺激感官（視覺、聽覺、嗅覺、味覺、三叉神經(jīng)/觸覺）形成了特殊的食品感知[1]。從舌上味覺受體、信號傳導(dǎo)通路到大腦味覺皮層等整個味覺系統(tǒng)構(gòu)成了食品風(fēng)味感知的生理基礎(chǔ)，負責(zé)食品風(fēng)味的識別、味覺信號的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)導(dǎo)和加工處理等過程[32]。2019年，Zhang 等[33]在《Cell》上報道了人類酸味受體的鑒定結(jié)果，確定酸味通過舌頭中酸味相關(guān)的味覺受體細胞，精準調(diào)控大腦中的味覺神經(jīng)元以觸發(fā)厭惡行為，并同時確定了酸、甜、苦、咸、鮮5 種味道的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)?？梢姡笆称犯兄敝饕砸环N多模態(tài)形式存在，而食品感知科學(xué)可以為食品感官評定、理化性質(zhì)測定、工藝形成、消費嗜好等食品科學(xué)和消費科學(xué)的基本問題提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以這些基本規(guī)律和科學(xué)理論為基礎(chǔ)，食品感知科學(xué)正在與未來食品制造的各個環(huán)節(jié)加速融合，能夠在滿足消費者感官需求的前提下，指導(dǎo)食品的宏觀或微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)食品風(fēng)味與質(zhì)構(gòu)創(chuàng)新，達到食品感官品質(zhì)與健康屬性的完美統(tǒng)一（圖3）。

圖3 食品感知科學(xué)的主要任務(wù)Fig.3 Critical tasks of food perception science

2.2 主要任務(wù)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，食品消費模式發(fā)生巨大變化，美味的食物可以有力并持續(xù)地激發(fā)健康生活的積極性，是滿足人民獲得感、幸福感、安全感的重要保障。食物的感官品質(zhì)始終是決定食物選擇，尤其是重復(fù)食物選擇的關(guān)鍵要素，而背離美味原則的食物創(chuàng)新是沒有長久生命力的。未來食品也將從原料型、結(jié)構(gòu)型消費逐漸向享受型消費發(fā)展，在滿足人們基本營養(yǎng)需求的基礎(chǔ)上，更加注重食品的感官品質(zhì)，從而滿足消費者個性化、美味和健康食品的需求。食品感知科學(xué)及其指導(dǎo)下的食品加工技術(shù)可能成為享受型食品消費的必然需求，為解決食品美味與營養(yǎng)健康的對立關(guān)系提供保障，引領(lǐng)未來“美味食品”的創(chuàng)新前沿。基于食品的感知科學(xué)領(lǐng)域需要重視的研究主要包括以下4 個方面。

2.2.1 食品感知的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ) 人類對食物的感知在入口前就已經(jīng)發(fā)生[34]。隨著“第一口食物”至口腔加工的整體過程，味覺感知會涉及風(fēng)味物質(zhì)釋放，引起味覺受體-配體結(jié)合。味覺受體細胞產(chǎn)生的信號刺激會傳入神經(jīng)，經(jīng)外周和中樞神經(jīng)信息編碼、傳導(dǎo)后進入大腦皮層，從而引起特定空間區(qū)域的響應(yīng)，觸發(fā)認知和行為反饋[35-36]。因此，揭秘感知受體和神經(jīng)元在處理來自食品的視覺、嗅覺、味覺感官刺激時所采用的結(jié)合、傳導(dǎo)、反饋模式和規(guī)律，能夠為設(shè)計和定制個性化食品奠定基礎(chǔ)。

2.2.2 食品感知的量化方法學(xué)及智能化 食品感官品質(zhì)的評價方法包括理化指標評價、感官評價、智能感官技術(shù)等，其中，智能味覺感官模擬人類味覺系統(tǒng)，通常包括傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)，可以客觀評價食品滋味，是量化食品感知的重要方法[37-38]。利用人工智能與機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)食物種類的智能化識別和分類，建立食品品質(zhì)與物性的數(shù)字化模型，并通過多數(shù)據(jù)融合技術(shù)實現(xiàn)不同形態(tài)、不同狀態(tài)、不同食物營養(yǎng)素含量的動態(tài)可視化識別。最終修正和構(gòu)建主客觀平衡的多感官食品定性定量描述及消費者畫像新方法，搭建仿生味覺、嗅覺或本體感覺的仿生智能分析模塊及宏量樣本數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 分子感官及風(fēng)味化合物的生物制造 分子感官及風(fēng)味化合物的生物制造是優(yōu)化已有風(fēng)味和開發(fā)新型風(fēng)味的重要技術(shù)保障[39]。在闡明食品營養(yǎng)、質(zhì)地、風(fēng)味形成機制的基礎(chǔ)上，明確食品中典型氣味、滋味的代表性呈香、呈味物質(zhì)及其構(gòu)效、量效、時效關(guān)系，開發(fā)精準化智能控制技術(shù)。進一步集成高效提取分離、生物轉(zhuǎn)化等技術(shù)，采用生物學(xué)方法創(chuàng)制高效價關(guān)鍵滋味、氣味化合物，最終實現(xiàn)不同物理、化學(xué)、營養(yǎng)特性的食材成型路徑精益規(guī)劃和精準營養(yǎng)制造。

2.2.4 食品的多元感知與健康設(shè)計 通過食品多元感知的研究，建立更廣泛、更確切的食物刺激、感官感知、情緒認知的聯(lián)系，是未來食品感知科學(xué)研究領(lǐng)域亟待解決的研究難點，也是實現(xiàn)食品健康設(shè)計、驅(qū)動未來食品創(chuàng)新的必要前提[40]。開展食品加工制造過程中的組分、風(fēng)味、質(zhì)構(gòu)、色澤等相關(guān)品質(zhì)參數(shù)的多維原位感知技術(shù)，解讀多元刺激模式下食物的視覺、嗅覺、味覺、本體感覺間感知交互的規(guī)律；結(jié)合基于食物建筑構(gòu)建理念，采用分子料理的模式，建立滿足食品質(zhì)構(gòu)與感官特性的配方和工藝技術(shù)體系，指導(dǎo)并支撐美味與健康統(tǒng)一的未來食品設(shè)計。

3 智能制造將成為未來食品工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵途徑

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析

以現(xiàn)代信息技術(shù)為標志的第4 次工業(yè)革命正在快速并深刻地影響著食品產(chǎn)業(yè)。德國“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略引領(lǐng)全球食品工業(yè)發(fā)展，加速工業(yè)機器人、智能化控制等新技術(shù)、新裝備與物性重構(gòu)、柔性制造等食品加工技術(shù)的深度交叉融合，推動食品產(chǎn)業(yè)向自動化、信息化和智能化方向轉(zhuǎn)變[41-42]。歐美國家利用數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)，結(jié)合感知物聯(lián)和智能控制技術(shù)，開發(fā)食品智能裝備與生產(chǎn)線、智慧工廠，實現(xiàn)從食品產(chǎn)品設(shè)計、工藝優(yōu)化到裝備制造以及食品制造全過程的智能控制，有效保障了食品制造過程的精確、高效、低耗，進而在資源開發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研制和市場拓展等方面引領(lǐng)和主導(dǎo)了全球食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[43-44]。

食品產(chǎn)業(yè)國際化競爭態(tài)勢日趨強烈，對我國未來食品發(fā)展提出諸多新的挑戰(zhàn)。我國食品智能裝備制造業(yè)尚處于機械化、電氣化、自動化、數(shù)字化并存，不同地區(qū)、不同行業(yè)、不同企業(yè)發(fā)展極不平衡的階段[45]。尤其是中式菜肴、傳統(tǒng)釀造、特種農(nóng)產(chǎn)品加工、調(diào)理食品等傳統(tǒng)食品制造業(yè)，由于品種多、工藝復(fù)雜，大多還處于手工及半手工的狀態(tài)，沒有國外經(jīng)驗與技術(shù)可借鑒，更缺少配套智能裝備，必須依靠自主研發(fā)，更新智能化工藝和裝備[41，46]。因此，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等多種技術(shù)融合實現(xiàn)制造業(yè)智能化、遠程化測控，通過人、設(shè)備與產(chǎn)品實現(xiàn)了實時連通、相互識別和有效交流，從而構(gòu)建一個高度靈活的個性化和數(shù)字化的智能制造模式（圖4），保障食品加工的高效、低碳和優(yōu)質(zhì)。

圖4 食品制造全系統(tǒng)智能化示意圖Fig.4 Schematic diagram of the intelligent food manufacturing system

3.2 主要任務(wù)

以現(xiàn)代信息技術(shù)為標志的第4 次工業(yè)革命正影響食品制造業(yè)，其突出特點是“互聯(lián)網(wǎng)+智能制造”[47]。食品智能制造系統(tǒng)的核心在于柔性加工、數(shù)字集成、感知物聯(lián)和智能控制，通過在一般信息系統(tǒng)中增加感知、認知以及學(xué)習(xí)功能，可以掌握人工難以感知的動態(tài)變化運行工況，認知人工難以及時處理的多類信息，決策人工難以實現(xiàn)的全局優(yōu)化[47-48]。在新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的發(fā)展主線下，食品裝備智能化和食品智能生產(chǎn)將引領(lǐng)食品制造業(yè)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，智能制造可能成為食品工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵途徑[46]。食品智能制造領(lǐng)域需要重視的研究包括以下3 個方面。

3.2.1 食品工業(yè)機器人 隨著系統(tǒng)化生產(chǎn)的發(fā)展，工業(yè)機器人正在不斷應(yīng)用于全球食品產(chǎn)業(yè)，尤其是模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，推動食品加工的標準化、網(wǎng)絡(luò)化[49]。因此，需要重點開展機器人視覺、力覺、觸覺、距離覺、姿態(tài)覺、位置覺等傳感器研究，實現(xiàn)食品機器人在食品分揀、分切、包裝等環(huán)節(jié)的高靈敏、高精度、高效率操作；針對不同質(zhì)地、形狀、尺寸等復(fù)雜食品體系應(yīng)用場景開發(fā)食品適用性傳感系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，研發(fā)普適性強的食品機器人；融合大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、5G 等新技術(shù)，研發(fā)糧食和物資出入庫、儲運作業(yè)、庫區(qū)巡檢等倉儲物流環(huán)節(jié)機器人[48，50]。最終實現(xiàn)關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機器人替代、生產(chǎn)過程的智能化控制。

3.2.2 食品智能制造加工系統(tǒng) 未來食品將更加重視制造自動化加工和整廠的數(shù)字化管理，食品智能制造加工系統(tǒng)主要是以食品制造數(shù)據(jù)服務(wù)為中心，從食品智能設(shè)計、生產(chǎn)智能管控、制造裝備智能化等方面全面突破食品智能制造技術(shù)的研究與應(yīng)用，從而實現(xiàn)管控全面信息化、作業(yè)高度自動化、決策智能化[42，51]。針對我國智能制造裝備產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新要求，系統(tǒng)研究神經(jīng)生物學(xué)、食品感知學(xué)、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)理論，重點突破食品數(shù)字化設(shè)計與制造、自適應(yīng)智能化高效食品分解、中式食品智能化生產(chǎn)、食品智能供應(yīng)鏈等裝備關(guān)鍵技術(shù)，突破殺菌、提取分離、干燥冷凍、成型包裝等食品操作單元的關(guān)鍵裝備智能化[47]。最終實現(xiàn)食品智能制造的關(guān)鍵共性技術(shù)突破，引領(lǐng)制造技術(shù)和信息技術(shù)深度融合為特征的現(xiàn)代智能制造模式，推進食品制造從產(chǎn)品、生產(chǎn)制造流程和設(shè)備的全程智能化升級。

3.2.3 智慧工業(yè)廚房 我國傳統(tǒng)食品加工行業(yè)由于機械化生產(chǎn)難度大，導(dǎo)致勞動強度高，勞動力需求量大，尤其是中式菜肴工業(yè)化生產(chǎn)的分切包裝、罐頭生產(chǎn)的去皮分瓣等環(huán)節(jié)難以實現(xiàn)機械化，制約了食品產(chǎn)業(yè)的升級和發(fā)展[52]。因此，基于智能自主決策和自適應(yīng)性的智慧工業(yè)廚房，必將成為傳統(tǒng)食品多樣化、復(fù)雜性制造的重要保障[53]。需要重點研究建立傳統(tǒng)烹飪方式科學(xué)量化體系，突破食物營養(yǎng)多維度可視化檢測、食品基料智能化制備和中式菜肴數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)；開發(fā)中式傳統(tǒng)食品加工過程的感知、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)與進化的智能控制系統(tǒng)，構(gòu)建智能廚房新標準和基于公眾云平臺的大數(shù)據(jù)平臺與專家決策系統(tǒng)；研發(fā)出食品自動烹飪等新裝置，創(chuàng)制智慧工業(yè)廚房，構(gòu)建“從農(nóng)田到餐桌”的現(xiàn)代餐廚食品供應(yīng)體系。

4 食品生物技術(shù)將成為未來食品工業(yè)健康發(fā)展的主要支撐

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析

食品生物技術(shù)是食品工業(yè)的重要分支，既包括了現(xiàn)代生物技術(shù)在食品原輔料制備、食品加工中的應(yīng)用，也囊括了食品發(fā)酵和釀造等傳統(tǒng)生物轉(zhuǎn)化過程。生物反應(yīng)工程、合成生物學(xué)、蛋白質(zhì)工程、細胞工程等諸多前沿生物技術(shù)的發(fā)展，也對現(xiàn)代食品生物技術(shù)的快速發(fā)展起到了極大的推動作用[54]。在食品加工的過程中運用生物技術(shù)，對生產(chǎn)、運輸、制造和儲存等各個環(huán)節(jié)進行控制，能夠在保證食品質(zhì)量的同時提升加工效率，推動食品行業(yè)發(fā)展[55]。因此，中國、美國、歐盟和日本等國家和地區(qū)都將食品生物技術(shù)的發(fā)展提高到戰(zhàn)略高度。

與發(fā)達國家相比，我國食品科技在生物技術(shù)方面缺乏系統(tǒng)布局，生物技術(shù)與食品加工技術(shù)融合交叉不足，合成生物學(xué)、基因編輯、生命過程調(diào)控與設(shè)計等新興生物技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用不足，缺乏“食品細胞工廠”等顛覆性技術(shù)的引領(lǐng)。因此，應(yīng)用生命科學(xué)理論研究成果對生物體進行不同層次的設(shè)計、控制、改造、模擬和加工，將生物學(xué)原理轉(zhuǎn)化為先進的產(chǎn)業(yè)化要素，并應(yīng)用于食品加工中，增加食品加工的技術(shù)種類和方法，在保證食品加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)效率的提升，成為未來食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

4.2 主要任務(wù)

食品生物技術(shù)的根本目的是基于生物獨特的生命代謝方式，控制適當?shù)姆磻?yīng)條件，實現(xiàn)食品的高效生物制造[54]。針對未來食品高效生物制造的新需求，基于合成生物學(xué)、基因編輯、細胞工程、生物反應(yīng)工程、蛋白質(zhì)工程等新興生物技術(shù)，構(gòu)建以資源充分綜合利用為特色的食品生物工程關(guān)鍵技術(shù)體系，實現(xiàn)食物資源和新資源的人工生物合成制造，食品生物技術(shù)可能成為食品工業(yè)健康發(fā)展的主要支撐[55]。食品生物技術(shù)領(lǐng)域需要重視的研究主要包括以下4 個方面。

4.2.1 酶技術(shù) 酶技術(shù)是酶生產(chǎn)和應(yīng)用的技術(shù)過程，隨著研究不斷的深入，酶制劑在食品工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，研究和開發(fā)新酶及其應(yīng)用場景已成為酶技術(shù)領(lǐng)域的熱點課題。借助酶促生物催化體系，可以實現(xiàn)淀粉的生物改性，例如基于淀粉分支酶的糖苷鍵重構(gòu)技術(shù)，可以增強淀粉的穩(wěn)定性，具有代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學(xué)變性淀粉的潛力，還具有維持血糖穩(wěn)態(tài)的效果[56]。通過酶催化解聚、轉(zhuǎn)苷、異構(gòu)等化學(xué)反應(yīng)，可以實現(xiàn)中長鏈結(jié)構(gòu)脂、人乳替代脂、零反式脂肪酸塑性油脂等功能性油脂的酶法制造[57]，具有廣闊的發(fā)展前景。此外，酶制劑可以改善植物蛋白的營養(yǎng)、感官及功能性質(zhì)，如利用蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶改善大豆蛋白風(fēng)味及溶解性，利用天冬酰胺酶降低植物蛋白丙烯酰胺產(chǎn)生，利用脯氨酸內(nèi)肽酶改善植物蛋白制造無麩質(zhì)食品，利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)胺酶改善植物蛋白的凝膠特性[18]，可為未來食品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)保障。

4.2.2 發(fā)酵工程 發(fā)酵工程利用微生物等細胞的代謝特性，通過現(xiàn)代工程技術(shù)將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為目標產(chǎn)品[58]。利用發(fā)酵工程技術(shù)進行酵母或真菌培養(yǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、低成本、可持續(xù)地生產(chǎn)替代蛋白，作為蛋白質(zhì)新資源具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。酵母蛋白作為食品蛋白原料和營養(yǎng)補充劑被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)中[58]。近年來，我國酵母蛋白產(chǎn)品呈現(xiàn)出高速發(fā)展態(tài)勢，通過適應(yīng)性進化和高通量篩選等策略能夠強化酵母細胞的蛋白合成能力，實現(xiàn)高產(chǎn)量、高得率、高生產(chǎn)強度制造酵母蛋白。除酵母蛋白外，真菌蛋白也是一種優(yōu)質(zhì)的替代蛋白來源，其主要生產(chǎn)原料為工農(nóng)業(yè)廢棄物，且工業(yè)發(fā)酵的生產(chǎn)方式立體集約化、占地少、低碳環(huán)保，已成為一種優(yōu)化食品生產(chǎn)模式、改善生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的新途徑，可實現(xiàn)在165 m3工業(yè)規(guī)模發(fā)酵罐中一個批次發(fā)酵生產(chǎn)25 萬根香腸所需的替代蛋白[59]。國外也有公司實現(xiàn)利用枯萎鐮刀菌進行發(fā)酵，獲取高纖維、低飽和脂肪的優(yōu)質(zhì)蛋白，并且全程不涉及動物源成分。

4.2.3 代謝工程 代謝工程是構(gòu)建微生物細胞工廠用于合成食品組分，特別是食品中關(guān)鍵核心配料的關(guān)鍵技術(shù)[60-61]。我國嬰幼兒奶粉市場規(guī)模達1 755 億元，母乳與牛乳的區(qū)別主要在于母乳寡糖、脂肪、蛋白質(zhì)的含量，而我國嬰配粉關(guān)鍵配料依賴進口。針對母乳寡糖等嬰幼兒配方奶粉中重要配料生物合成途徑，開展微生物中重要配料代謝途徑的設(shè)計與構(gòu)建，能夠建立目標產(chǎn)物的合成途徑。進一步通過底物轉(zhuǎn)運系統(tǒng)優(yōu)化、前體供應(yīng)強化、輔因子智能循環(huán)和動態(tài)調(diào)控等策略，可以優(yōu)化目標產(chǎn)物合成途徑。最后，通過增強底盤微生物與外源生物合成途徑的適配性，提升生產(chǎn)菌株中目標產(chǎn)物的合成效率，實現(xiàn)母乳寡糖、乳鐵蛋白、磷脂酰絲氨酸等嬰幼兒配方奶粉中重要配料的生物制造（圖5）。

圖5 嬰配奶粉中可生物制造的關(guān)鍵配料Fig.5 Key ingredients that can be manufactured biologically in infant formula

4.2.4 合成生物學(xué) 食品合成生物學(xué)是在傳統(tǒng)食品制造技術(shù)基礎(chǔ)上，融合合成生物學(xué)理念和技術(shù)，特別是食品微生物基因組設(shè)計與組裝、食品組分合成途徑設(shè)計與構(gòu)建等，將可再生原料轉(zhuǎn)化為重要食品組分、功能性食品添加劑和營養(yǎng)化學(xué)品，已經(jīng)成為“未來食品”制造領(lǐng)域創(chuàng)新的戰(zhàn)略高地[4]。國外已有合成生物學(xué)來源的食品添加劑和食品功能組分被列入歐盟EU 和美國FDA 目錄，人類對合成生物學(xué)制造技術(shù)的駕馭和運用，正在顛覆傳統(tǒng)的食品生產(chǎn)和供給方式[62-63]。采用合成生物學(xué)實現(xiàn)人工合成淀粉的概念和技術(shù)創(chuàng)新，不僅對未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是糧食生產(chǎn)具有革命性影響，而且對全球生物制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有里程碑意義[64]。采用合成生物學(xué)手段，重構(gòu)微生物代謝途徑，可以實現(xiàn)肌紅蛋白、血紅蛋白等植物蛋白肉關(guān)鍵組分的高效合成，能夠解決植物蛋白肉與真肉色澤和風(fēng)味差異的技術(shù)難題[65]。此外，淫羊藿苷是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的一種黃酮類化合物，也是數(shù)百種藥物和保健品的主要成分，由于傳統(tǒng)分離提取工藝難度大，產(chǎn)物純度低，淫羊藿苷純品（純度＞98%）價格高達4～5萬元/kg；通過合成生物學(xué)手段，能夠設(shè)計并實現(xiàn)淫羊藿苷的生物改造，為復(fù)雜黃酮類化合物高效獲取提供重要途徑。

5 食品組學(xué)將成為引領(lǐng)未來食品營養(yǎng)與健康研究的必要工具

5.1 發(fā)展現(xiàn)狀及需求分析

“食品組學(xué)”的概念由西班牙Cifuentes[66]于2009年首次提出，主要是將先進的組學(xué)技術(shù)和分析方法應(yīng)用于食品和營養(yǎng)領(lǐng)域，以實現(xiàn)人類健康和福祉的優(yōu)化提升。食品組學(xué)是在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)、化學(xué)計量學(xué)和生物信息學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門綜合性學(xué)科，其主要依托高通量、高分辨率、高精度的分析儀器，通過海量數(shù)據(jù)處理和分析，涵蓋食品及營養(yǎng)相關(guān)的各個研究領(lǐng)域，為打破食品領(lǐng)域安全性、營養(yǎng)性、功能性等方面的研究瓶頸提供了解決方案[4]。食品組學(xué)的飛速發(fā)展已將食品科學(xué)研究帶入了新時代。

未來食品組學(xué)將更加專注于合理設(shè)計和開發(fā)新型食品，是指能夠改善人類健康，防治疾病，同時保證食品品質(zhì)和安全性的高質(zhì)量發(fā)展，增強消費者對食品的信任。一方面，食品組學(xué)可以實現(xiàn)食品危險因子的非靶向篩查、多元危害物快速識別與檢測、智能化監(jiān)管、實時追溯，闡明食源性致病菌的應(yīng)激適應(yīng)反應(yīng)，有助于形成高標準食品安全監(jiān)測體系，保障食品安全[67]；另一方面，食品組學(xué)可以從基因?qū)用娼忉尣煌瑐€體對特定膳食組成的反應(yīng)，從營養(yǎng)學(xué)角度解釋食品成分的健康益處或損害的分子和細胞機制，確定食品活性成分作用的關(guān)鍵通路，分析腸道菌群的整體作用及功能，明確慢性疾病發(fā)生前到發(fā)生時的特征基因和分子生物標記物，在保障食品營養(yǎng)與人類健康方面起著關(guān)鍵性作用[68]（圖6）。

圖6 食品組學(xué)的基本原理Fig.6 Basic principles of foodomics

5.2 主要任務(wù)

食品組學(xué)作為綜合了食品安全與營養(yǎng)、先進分析技術(shù)和系統(tǒng)生物學(xué)的交叉學(xué)科，對人類健康的研究將更加細致、全面。隨著食品營養(yǎng)與安全理論的日益完善，高通量、高精度的先進分析技術(shù)將逐漸突破食品成分的復(fù)雜性和自然變異性限制，提升成分分析檢測能力。此外，由于計算機技術(shù)特別是人工智能的迅猛發(fā)展，設(shè)備計算能力顯著增強，可為食品組學(xué)的發(fā)展提供有力保障。食品組學(xué)相關(guān)領(lǐng)域需要重視的研究主要包括以下2 個方面。

5.2.1 食品組學(xué)與食品安全 食品安全一直是世界范圍內(nèi)關(guān)注的重點問題之一。目前，化學(xué)污染、食源性致病菌污染、新型摻假等是食品安全面臨的主要挑戰(zhàn)[69]。食品組學(xué)帶來的精準、快速、靈敏的分析檢測方法，能夠有效保障食品從農(nóng)田到餐桌的安全性，同時通過對食品樣品的DNA、蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物等進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和生物信息學(xué)研究，甄別食品相關(guān)特性，還能為食品溯源提供充足信息[70]。為了保障未來食品的安全和高質(zhì)量供給，需要以食品組學(xué)為引領(lǐng)，輔以無損現(xiàn)場快速檢測（智能仿生識別、可視成像、生物傳感等），重點針對高值食品、特色食品等，發(fā)展基于高通量測序和多組學(xué)的食品多態(tài)性組成、標簽符合性識別和鑒別關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建多層次、多指標鑒別方法和食品真實性多維技術(shù)全景描述系統(tǒng)[71]，最終為食品生產(chǎn)和流通領(lǐng)域提供可溯源、可實時監(jiān)管的科學(xué)手段和技術(shù)支撐。

5.2.2 食品組學(xué)與食品營養(yǎng) 食品是人體獲取維持日?；顒铀剿匦璧臒崃考盃I養(yǎng)物質(zhì)的主要途徑，保證食品營養(yǎng)是維持人體正常生理功能和生命健康的必要條件[72-73]。長久以來，食品營養(yǎng)一直是食品科學(xué)領(lǐng)域的研究重點，而傳統(tǒng)的食品營養(yǎng)學(xué)研究偏重通過化學(xué)分析手段測定食品中各類營養(yǎng)成分的組成。相比之下，基于食品組學(xué)分析食品營養(yǎng)組成、活性成分及其進入機體后的代謝規(guī)律，并以此評估某種食品對人體健康和疾病的影響更為直接有效[67，73]。針對我國不同地區(qū)、不同民族、不同生命周期的人群體質(zhì)和代謝特征，圍繞食品營養(yǎng)與健康關(guān)系，采用以宏基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù)為基礎(chǔ)的分子營養(yǎng)學(xué)研究方法，探討食物營養(yǎng)成分、功能因子對人體靶基因表達的影響，闡明食品成分、功能因子之間的協(xié)同作用及其健康效應(yīng)，建立適于不同人群和個體的食品精準營養(yǎng)設(shè)計智能化模型，最終實現(xiàn)對不同人群更精準、更有效、更安全的營養(yǎng)支持。

6 展望

多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新是未來食品科技的核心競爭，全球食品科技創(chuàng)新已從單一環(huán)節(jié)的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)槿a(chǎn)業(yè)鏈的鏈條式交叉融合創(chuàng)新。針對我國食品科技發(fā)展愿景和重大戰(zhàn)略需求，圍繞制約未來食品產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)和技術(shù)瓶頸問題，面對未來食品科技創(chuàng)新發(fā)展所面臨的新挑戰(zhàn)和新需求，有必要聚焦“成為全球食品科技創(chuàng)新中心，率先進入創(chuàng)新型國家前列”這一戰(zhàn)略目標，圍繞全力打贏關(guān)鍵核心技術(shù)攻堅戰(zhàn)和實現(xiàn)高水平自立自強兩個著力點，加快推進加工制造、營養(yǎng)健康、食品生物工程、智能裝備、質(zhì)量安全、包裝物流六大戰(zhàn)略任務(wù)布局，著力突破植物基食品、食品智能制造等食品領(lǐng)域顛覆性創(chuàng)新技術(shù)和裝備，實現(xiàn)食品安全、人類健康、美好需求的保障，催生食品細胞工廠、食品智能制造、智慧廚房、精準營養(yǎng)等未來食品產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)，形成具有中國人自身消費習(xí)慣和膳食模式的未來食品加工制造體系，助推我國食品產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和健康持續(xù)發(fā)展。

當我們討論未來時，未來已來；當我們討論將至?xí)r，將至已至；當我們以變革姿態(tài)期待未來、迎接將至?xí)r，唯變不變！