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未来食品与食品科学的未来

浙江工商大学食品口腔加工和感官科学研究所所长 国际食品科学院院士  陈建设

浙江工商大学食品营养研究所所长  韩剑众

  进入21世纪以来,人类遇到了包括气候变异、环境恶化、病毒肆虐等许多前所未有的挑战。有许多学者对于人类文明的未来和未来条件下的食品供应感到担忧,广大消费者对工业化食品的健康影响越来越关切。在这个背景下,未来食品作为一个笼统的概念被广泛提及,在诸多媒体、文献上众说纷纭。然而,到底什么是未来食品,未来食品对于当代食品科学工作者究竟意味着什么等关键问题,缺乏理性分析和讨论。

  虽然对于什么是未来食品,目前还没有任何共识,也很难预测未来食品需要解决哪些重大的科学或技术问题,但是笔者认为未来食品的发展至少具有以下两个显著特征:(1)未来食品必须要满足消费者对更高生活品质的需求;(2)未来食品必将有更高的科技含量,包括食品的原料来源、成分和结构设计、加工与生产、流通和销售、饮食与消费等各个方面,都需要食品科学理论与技术的支撑。因此,更大范围的基于多学科交叉的食品科学研究只会变得更加重要。

  一、未来食品的核心关注

  面对未来的不可测性,笔者认为,当代食品科学工作者需要认真思考三个基本问题:(1)未来的食品资源供应如何满足持续增长的人口对食物的需求,这是一个食品保障与人类文明发展可持续性问题;(2)随着生活水平的提高,人类对健康与美好生活的需求亦会持续提高。如何满足人类对高生活品质的要求,是未来食品的另一重大挑战,是食品与健康美好生活关系的问题;(3)未来食品与中国传统饮食智慧的关系。工业化背景下的食品生产与消费已经极大的偏离了传统的东方饮食文化。未来食品是继续这个趋势还是重新思考?这是一个传统与未来的问题。

  1.人口持续增长与食品资源供应的可持续性

  人口持续增长应该是可预测的未来特征之一。人类文明发展至今,一直伴随着数量的增加,在过去的半个多世纪中,大约每12—13年,全球增加近10亿人口。没有人能准确推算人类人口顶峰值会是多少、地球到底能养活多少人口。不同的模型、不同的理论,可能会得出很不一样的结论。但是可以确定的是,人类对于食物需求增加的速度是目前的地球环境和生产能力所不可支撑的,是不可持续的。现在大家都认可这样的观点,未来人类人口的增加和对食物供应的增加必须不能以破坏环境为代价,不能以别的物种的消失为代价。未来食品的充足供应,更不能以战争减少人口为手段。人类必须寻求更加可持续的食物资源,包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、微量营养素等。保障食物资源供应的可持续性不仅是重大的民生问题,更是一个国家、一个民族生存的基本战略问题。

  过去几十年中,我国人口增长的速度有所控制,但总人口依然逐年增加。在几类食品资源中,碳水化合物的生产和供应有了较大的改善,需求得到了较好的解决。杂交水稻和农业技术的发展基本保障了主粮的充足供应,大豆的大面积播种和其他根茎类植物的发展,极大丰富了植物源蛋白质和碳水化合物供应的数量和品质。规模化的畜牧业、海洋养殖和大规模的远海捕捞虽然大大增加了动物蛋白的供应,但是动物源蛋白质的供应仍未满足生活水平迅速提高以后人们对这类食物的需求。而依赖国际市场供应具有很大的政治风险和市场不确定性。开发利用植物和昆虫蛋白资源成为未来食品科学要着力解决的重要课题。植物蛋白和昆虫蛋白的单位能耗、单位水耗、单位CO2排放,都要大大低于动物蛋白,必将成为未来食品蛋白来源的合理选择。有效将植物蛋白和昆虫蛋白转化成为美味可口的食品,既要解决很多技术和工艺问题,更要解决很多相关的科学问题。

  微生物和生物工程技术(合成生物学)也将成为选项之一。例如人工牛奶的制造技术已经有重大突破,澳大利亚科学家已经成功通过微生物发酵技术在实验室制得人工牛奶,该技术预计在2022年投入商业生产。利用生物工程合成技术生产蛋白质,有效提供蛋白资源,弥补人类的食物资源短缺,亦将成为未来食品发展的选项之一。尤为重要的是,该技术为保障特殊环境下(例如外太空的探索、极地生存、远洋航行等)的食物资源供应,提供了可行的方案。

  2.未来食品与人类健康及美好生活

  人类机体在长期的演化过程中,深受因气候、季节、战乱、灾荒等引起的食物短缺的影响,发展出了一套适应饥饿或半饥饿状态的生理机制。在人类的文明史上,从来没有过像现在这样,食物供应可以不分季节、不分时间、不分地域,琳琅满目远远超出了填饱肚子的需求(当然还有一些落后国家处于食物短缺的状态)。虽然人类一直渴望丰衣足食,但是快速的告别饥饿时代(欧洲自二战以后、中国自改革开放以后,大致用了一代人的时间解决了温饱问题),人类的机体代谢却无法适应超过机体需求的能量和营养供应,因而出现了包括肥胖、高血压、高血脂、高血糖等与食品消费直接相关的健康问题。可以说人类作为一个动物种类,未来面临的最大挑战是自身的生理演化速度跟不上环境变化的速度。这将给人类自身的健康以致生存带来很大的危险和挑战。

  低糖、低盐、低脂食品已经成为消费者的重大期待。从食品的生产和保存的角度讲,减糖、减盐、减脂不存在技术问题,最大的技术障碍来自这类食物的饮食愉悦感的丧失,如何通过食品成分和结构的创新性设计,保持低糖、低盐、低脂食品的饮食愉悦感是将来很长一段时间食品科学研究的重大课题。

  3.未来食品与传统饮食智慧

  现代科技和工业化起源于西方,食品科学和食品工业也是如此。而西方工业化发展的重要特征是利润驱动,这一特征一直影响全球的工业化和现代化。快速、方便、低廉是消费和市场竞争的基本特征。汉堡包、可口可乐等是工业化年代食品供应的典型例子。越来越多的证据显示现代社会的健康问题很大程度上与工业化加工食品的大量消费有内在相关。未来食品是否仍然延续这一思路,非常值得学界和政府决策部门的思考。而笔者认为,解决未来食品的挑战,可能需要跳出现代工业化的思路。而答案很可能蕴藏在东方的传统饮食智慧中。

  作为东方文明智慧的结晶,中国的传统饮食文化在很大程度上保障了中华民族的健康延续。东方传统饮食文化注重节律饮食与平衡膳食,食物者为天地之精华,大自然之馈赠,人类对于食物的摄取,无论是数量还是种类,都应该有节、有律、有度、有衡。正如黄帝内经所讲“食饮有节,起居有常”。

  但是,在可预见的将来,食品的生产和供应仍将大概率沿用工业化、集成化、智能化的思路和方式,仍将以追求效率和资本回报为主要驱动,食品的生产、制作以致消费有更加快捷化、模块化的趋势。在这种背景下,如何将东方的传统智慧和以西方文明主导的现代文化和谐融合,如何运用现代科学方法解释传统饮食文化,将是未来食品需要面临的重大问题。而如何发挥“药食同源”的东方哲学智慧,非常值得食品工业、消费者和政府管理部门深度思考。

  二、当代食品科学研究内涵的变化与机遇

  纵观近年来国际国内食品科学的发展,可以发现食品科学研究的内涵已发生明显变化,而且越来越多的人意识到,食品科学不同于营养科学。近年来,国际国内食品科学工作者在如何正确认识食品与营养健康的关系,如何科学地阐释食品的营养健康效果等方面,进行了大量的研究工作,食品科学研究的内涵发生了三个根本性的改变。笔者认为这些转变在未来的很长一段时间内仍将持续,并伴随未来食品的到来:(1)从关注食品组成转变为聚焦食品载体;(2)从技术关注到科学探索;(3)从食品材料研究到“食品+人体”的研究。

  1.从关注食品组成转变为聚焦食品载体

案例1. 苹果与苹果汁

  如果仅从能量和营养成分考虑,苹果和苹果汁没有什么根本的区别。但是,两者一为固体食品、一为液体食品(饮料),具有不同的载体结构与性质。研究表明,两者虽然拥有同样的营养成分(功能因子),但因其载体的不同,饮食与营养效果存在很大的差别,包括饮食方式、愉悦程度、能量释放的速率、胃肠滞留时间、营养成分的释放与吸收等都有很大的不同。因此,可以明确地说,两个同一来源的食品,因其形式和载体的不同,其营养健康效果有着很大的不同。

案例2. 鱼、鱼油与不饱和脂肪酸

  鱼油长期以来被认为具有健康效果,而其中的不饱和脂肪酸被认为是目标功能成分。因而人们开始通过提取、纯化不饱和脂肪酸的方法,制成胶囊制剂,作为食品和营养的补充。不饱和脂肪酸与鱼的关系的本质是功能成分与载体的关系。把营养功能成分与载体剥离,形式上更像药物。食用含不饱和脂肪酸的鱼类是传统的饮食方式,其特点是以细水长流的方式,滋润机体。而食用鱼油胶囊制剂是以高浓度短时间刺激的方式影响机体,其效果如何,依然是一个有争议的问题。是否是最佳的选择,还有待更多的研究。但是可以肯定的是,胶囊制剂已经偏离了食品的本质特征,不能为消费者提供任何的饮食愉悦感。

  食品的组成成分直接决定了食品的性质、功能、状态等,是食品设计和消费的重要考虑因素。但是遗憾的是,长期以来,食品科学家在对组成关注的同时却忽略了载体的重要性。由于这个错误的指导思想,在过去的很长一段时间内,所谓的功能成分挖掘、提取、纯化、表征占据了相当大的研究资源,造成无谓的科研资源浪费。现在的共识是:(1)营养或功能成分(或所谓的因子)是不能单独存在的,它们的储存和传送必须借助食物载体(或结构载体);(2)载体的多尺度微结构性质直接影响功能成分的有效性,包括其在机体内的传递、释放和被吸附利用等。因此对食品功能成分的研究必须以食物载体为基础。食物载体直接影响功能成分的功效,也直接影响食物的饮食方式、愉悦程度、消化和吸收的效率等。因此可以说,功能成分不能成为食品,而食品则包含了众多的功能成分。经过了近一个世纪的发展,人们意识到单个营养素的缺乏已经不足以解释慢性病的发生,应该说远远不能满足慢性病发生的一些机理的解释或者预防。因为我们吃的是一个食物整体,一个whole food。案例1与2可以说明。

  2.从技术关注到科学探索

案例3. 食物变色与美拉德反应

  金黄色的形成是很多热加工食品中的一个奇妙现象,常作为食物是否成熟的判断标准,更是消费者喜爱的标志颜色。但是,如何解释食物的颜色变化一直是人们的好奇。如何通过颜色变化来量化评判食物的质量,却是一个难题。1912年法国化学家对甘氨酸和葡萄糖混合液共热时会形成褐色的类黑精,并可以闻到香气进行了首次报道。1953年,霍奇(J.E.Hodge)等人经总结归纳,把氨基化合物(如蛋白质、肽、胺、氨和氨基酸)和羰基化合物(如还原糖、脂质、醛、酮、多酚、抗坏血酸以及类固醇等)之间的一类复杂化学反应正式命名为Maillard反应(Maillard Reaction)或羰-氨反应(Amino-carbonyl Reaction)。因其最终产物主要是棕色的类黑素,且无需酶的参与所以亦被称为类黑素反应(Melanoidin Reaction)或非酶褐变反应(Non-enzymatic Browning Reaction)。之后,人们对美拉德反应的机理、控制条件、影响因素等进行了大量的深入的研究,建立了各种理论模型,成为现代食品化学最活跃的研究领域。美拉德反应的提出与机理确立为工业化食品加工提供了可靠的理论依据,使得食品加工从传统的经验观察跃升到系统化控制成为可能。

案例4. 牛奶研究与豆奶研究

  豆制品在我国有很长的食用历史,农耕文明以大豆为原料制得豆浆,再以豆浆为基础制得各种豆制食品(包括豆腐、豆腐花、豆腐脑、豆腐皮、豆腐干、豆腐乳等)或饮品(如豆奶、咸豆浆、甜豆浆、豆汁等)。与此相对应的是欧洲的牛奶与牛奶制品。豆奶与牛奶虽然来源不同,其营养价值都非常好,受到消费者的喜爱。然而在我国一直专注于豆类产品开发与关键技术研究的时候,20世纪80年代,以荷兰瓦赫宁根大学Pieter Walstra教授和英国利兹大学Eric Dickinson教授为代表的欧美食品科学家从牛奶体系研究中提出了食品乳状液的概念,并形成了系统的食品胶体理论。食品胶体理论的提出虽然只有三十多年的时间,但是其应用已经远远超出乳制品领域,而食品胶体与软物质研究也成为食品学科中最活跃的领域方向之一。欧美等国在食品胶体这一领域一直处于引领地位,拥有很大的话语权。我国食品科学工作者虽然做了大量的实验研究,但无论在新理论的建立,还是新前沿的开创等方面尚缺乏标志性的成果和建树。

  技术与科学是人类文明发展中两个不同层面的问题,各有侧重,都对社会和经济发展起到重要的推动作用。技术具备明确的使用范围和被其他人认知的形式和载体,如原材料(输入)产成品(输出)工艺、工具、设备、设施、标准、规范、指标、计量方法等。而科学具有原理性、普适性和可应用性的特征,更重要的是科学对技术具有基础性和指导性的作用。没有科学探索,技术进步就成为无本之源,无法持续。

  我国食品工业过去很长一段时间关注技术(或关键技术)的研究,这有两个明显的背景,一是食品科学本身是个应用性很强的学科,重工艺和技术;二是在长期食品短缺的年代,扩大食品产能,加快食品原材料的转化,延长食品产品的货架稳定期一直是食品工业的首要关注,但是随着经济社会的发展和生活水平的提高,对食品的科学问题的探索成为必然,也是引领学科发展的必然之路。科学探索的重要性也可以从案例3与4得以说明。

  3.从食品材料研究到“食品+人体”研究

  自从食品科学成为一门独立学科后,研究的重心一直以食品材料为关注,运用材料科学的理论、方法和技术开展食品材料研究。从这一意义上讲,食品科学长期以来实际上是材料科学的一个分支。而在20世纪初,随着营养成为消费者的关注,食品在人体环境中的性质和结构变化逐渐成为研究热点,包括相继出现的食品胃肠消化、食品口腔加工等新前沿领域。这一转变伴随着人们对食品基本功能的重新认识。在新时代背景下,食品已不再只有填饱肚子的功能,食品作为一种可食用的物质,必须具备为机体提供能量、营养、愉悦的三大基本功能。而且随着人们对营养素、食物、疾病三者因果关系证据的不断积累以及认识的不断深入,发现食品对于人体的影响,远远超过任何一个环境因素。

  食品的三个基本功能均需在人体的生理环境中实现,如何通过改善食品的成分和结构设计,使食品达到最合理的能量释放,最有效的营养效果,和最佳化的愉悦是当代食品工业的一大挑战,要解决这一挑战,食品科学工作者必须将食品材料与人体生理相结合,观察食物的结构和成分在口腔、胃肠等各阶段消化过程中的结构破坏与降解,并阐释其物理的、化学的、生理的、胶体的、心理的原理。传统的食品科学与工程不断研制各种新的加工方式,却没有进一步阐明新的加工方式如何影响食品产品对人体的影响,“食品没有科学”的观念伴随人们好多年。事实上,同一片绿叶,根据加工方法不同,可以成为绿茶、乌龙茶或红茶,一块肉可以生着吃,也可以烤熟了吃,经过这些加工过程的食品对人体的作用大为不同。

  从食品材料研究到“食品+人体”研究的转变是消费者对食品基本功能的重新认识的结果,可以很有信心的预测,将来的食品科学研究有很大趋势成为“食品材料科学+生命科学”的研究。这一转变必将带来研究方法、研究技术、研究手段、合作方式等的改变。

  三、未来食品科学发展的对策

  未来食品的挑战不仅是中国的问题,更是全球性的问题。未来食物资源的可持续性、持续提升健康美好的生活品质,是全人类的共同关注。因此,需要全球科学家和各个行业(如政府、工业、商业等)一起面对。这就意味着全球性、多行业的合作与竞争。如何在这个全球性的人类生存问题上取得领先权和话语权,将影响一个国家、一个民族的未来和在国际上的地位。这就要求中国食品科学工作者以充分的战略敏锐性和学科前瞻性,把握未来食品的发展机遇,开展扎实的、有科学依据的原创探索,向世界提供食品科学的中国智慧和原创成果。

  过去半个多世纪中,食品科学作为一门独立学科,取得了多方面的成就,为现代食品工业的发展提供了有力的理论与技术支撑。然而,在过去的很长一段时间里,我国食品科学研究都是在“跟着做”,处于落后跟跑的地位。在现代食品科学快速发展的年代,在百年未遇的世界变局之际,让我国的食品工业和食品科学研究走在国际前沿,是我们当代食品科学工作者的共同责任。

  哗众取宠的玩弄概念,追求功利的漂浮研究,不健康的学术行为,包括各种似是而非的概念、名词、学说,不仅蒙蔽大众,造成认知混乱,也浪费了大量的科研资源,迟滞了科学事业的发展。真正的提出科学问题、解决科学问题才是当代食品科学工作者所应致力。立足中国食品产业、饮食传统、消费嗜好等实际,进行科学研究,切实改变科研形式、科研成果不接地气,科研创新输出脱离社会需求,过分关注基于提高项目(课题)的立项概率、获取经费等功利目的学术机会主义,才能占领未来食品科学的学术高地,为未来的食品工业和人民的高品质生活提供强有力的科学支撑。

  对此,笔者建议,在食品科学未来的发展,应重视以下两点:

  1.前瞻思考,科学布局,优化科研资源分配

  对于食品和食品科学,未来的挑战无疑是多方面的、多层次的。这就要求我们做好合理布局,尤其是食品科学研究的学科布局,优化并适当倾斜资源分配,在诸如食品新资源开发与保障、食品与人体相互作用、胃肠界面行为、消化与感官生理等新前沿领域开展探索研究,以确立我国在食品科学新前沿领域的引领地位。

  2.弱化学科界限,强化学科交叉

  目前我国食品学科的架构设置带有过多的产业与商品特点,这体现在大学专业设置和自然基金的学科分类设置中。以某一种商品产品或行业类型确立一个学科,虽然有其历史原因,但难免牵强,不能适应现代科学的发展需要。近年来,自然科学基金在学科分类方面做了很多有意义的探索,在食品学科新设置了若干以科学领域为依据的基金门类。作为我国自然科学研究最重要的资助与引导机构,自然基金应该继续朝着这个方向努力,弱化以行业与商品为指标特征的基金分类,代之以科学领域为基础的学科分类,使得我国食品科学研究能更好实现学科交叉融合,真正探索食品的科学问题,为不同食品行业、不同食品商品,提供共性的科学理论,亦为我国未来食品科学的研究,奠定坚实的学科基础。

  未来食品和未来的食品科学,正伴随着健康中国的大战略向我们走来,也给我们带来很多的遐想和机遇。虽然谁也无法准确预测未来食品会是什么样子,也无法准确预测未来食品科学研究该如何进行,但是可以确定的是,未来食品科学研究的必须遵循满足人类健康和美好生活的需要的原则,未来食品工业的发展必须沿着可持续的道路,材料科学、生命科学将会是未来食品科学的学科基础,多学科交叉将会是未来食品科学研究的必然手段。