食品產業全鏈條技術交叉融合中國創新模式分析

劉英麗， 聶少平， 張衛文， 左 敏， 李 斌， 王 靜*， 孫寶國

（1. 北京工商大學 中國-加拿大食品營養與健康聯合實驗室 （北京）/北京食品營養與人類健康高精尖創新中心/北京市食品添加劑工程技術研究中心， 北京100048；2. 食品科學技術國家重點實驗室， 南昌大學， 江西 南昌330047；3. 天津大學 生物安全戰略研究中心， 天津300072；4. 華中農業大學 食品科學技術學院， 湖北 武漢430070）

“國以民為本，民以食為天”，食品產業不僅是中國的第一大產業， 也是目前世界上的第一大產業。 當前，隨著我國國力的不斷增強，我國居民消費水平和生活水平不斷提高，居民的膳食觀念和結構更趨合理，對食品的營養保健化、功能化等要求也不斷提高。 與此同時，隨著醫療條件的不斷改善與進步，我國老齡人口增多，人口老齡化進程與新興工業化、城鎮化、信息化和農業現代化進程相伴隨，與家庭小型化空巢化相交織，食品科學亟待適應及滿足新的人口結構帶來的更加復雜的問題和矛盾。此外，食物浪費也不容樂觀，據世界自然基金會與中科院聯合發布的 《中國城市餐飲食物浪費報告》保守估算每年全國城市餐飲業僅餐桌上食物浪費量在1700 萬噸～1800 萬噸， 相當于3000 萬人至5000 萬人一年的食物量， 如何解決食品大量廢棄問題，并進行清潔生產，已成為現代食品工業快速健康和可持續發展的重中之重。 食品產業鏈條上的各環節都面臨著重要的機遇和挑戰，食品產業需要技術革新，并加大力度的向前發展，全鏈條技術交叉融合創新正成為食品產業創新發展的新模式。

1 國際形勢趨勢分析

21 世紀以來，全球科技創新進入空前密集活躍的時期，新一輪科技革命和產業變革正在重構全球創新版圖、重塑全球經濟結構[1]。 大數據[2-3]、人工智能[4-5]、機器人、5G 通訊[6]等新一代信息技術迅猛發展；基因編輯[7]、全基因組合成、合成生物學[8]等顛覆性生物技術不斷涌現；納米材料[9]、生物基材料[10]、智能材料、石墨烯材料[11]等新型材料正在引領新一輪材料革命；增材制造（3D 打印）[12]、智能無人加工車間等先進制造技術正在引領新的制造革命。 歐美等發達國家的最新研究進展表明， 新一代信息技術、生物技術、新材料技術和制造技術等在食品領域已展現出優越性能和廣闊的應用前景。 2018年，美國國家科學院、國家工程院和國家醫學院聯合發布了《面向2030 的農業和食品科學突破》， 重點強調了組學技術、傳感技術、數據科學技術和新材料技術等在生產高質量營養食品、 滿足個性化營養需求、保障全球食品供應等方面的應用前景與優勢。 運用全鏈條技術交叉融合創新模式，突出多學科交叉融合優勢， 結合高新技術推動食品產業研究系統化、規模化和數字化是國際大勢所趨。

目前，食品產業全鏈條技術交叉融合創新領域主要集中于食品大數據、營養健康食品精準設計和精準制造、合成生物學、食品加工制造、食品質量安全控制、食品清潔生產等，涉及食品原料學、食品生物化學、食品發酵與釀造、食品貯藏與保鮮、食品加工生物學基礎、食品營養、食品安全與質量控制、環境污染與食品安全風險等流程環節。 各個國家在這些領域不斷加強高新技術的科研投入，建立了專業裝置與實驗機構， 開展跨領域合作， 促進物理、化學、生物和環境傳統學科的交叉融合，結合生物物理、生物化學與分子生物學等新興學科，綜合利用傳感技術、納米技術、分子識別技術、基因重組技術、生物芯片、大數據技術等高新技術，開展全方位的食品質量檢測理論和方法研究。

美國加拿大及歐洲等發達國家的農業生產模式已由機械化轉變為數字化、信息化；日本充分利用大數據與物聯網等技術提升農業生產效率、效益，此舉適用于耕地面積有限且農業人口老齡化嚴重的國家，可實現精準農業生產體系[13]。 此外，大數據為營養健康管理提供良好的環境和創新的路徑[3]。 例如，美國、加拿大等發達國家的營養調查和監測信息共享已經比較成熟，美國兩年進行一次全國健康與營養調查，其調查結果、調查方法、檢測手段、趨勢分析等信息都可當年在美國疾控中心網站上查詢；基于精準營養概念的提出和個性化營養需求，利用數據共享與信息技術，面向老年、糖尿病等特定營養需求人群進行特醫食品的開發應用，進行膳食食譜數據庫、腸道菌群數據庫建設，推動營養健康管理的發展；圍繞食品質量安全檢測、食品加工過程安全控制、危害因子的毒理學評價等方面展開食品安全精確檢驗檢測基礎研究，實現食品生產加工過程安全控制；食品工業的清潔生產研究從傳統的關注生產過程，逐漸向源頭供應鏈延伸，開始關注食品的全生命周期過程，其中的環境污染與食品質量安全評價、 清潔生產方法學研究與模型建立、多介質的污染綜合系統集成技術研究是熱點。

2 國內現狀與需求

與歐美等食品產業強國相比，我國食品產業存在著供給側結構性失衡、產品競爭力低、質量安全風險高等問題，嚴重制約食品產業發展，不能滿足人民對美好生活日益增長的需求，食品需求從量到質的過渡的同時暴露了許多問題，諸如食品數據與食品安全問題、食品材料和食品加工問題、食品結構和食品營養問題、社會的人口老齡化問題、食物浪費與清潔生產的問題等。

當前，在全鏈條技術交叉融合創新研究領域原始創新能力不足，在理論方法研究、關鍵技術攻關、重大產品創制、新興產業培育等方面大多以跟蹤模仿研究為主，缺少顛覆性、超前性、引領性的研究。農業大數據來源與獲取復雜，食品數據庫建設沒有統一的標準，食品安全大數據具有稀疏特征，存在虛假現象，使其應用價值難以體現[14]；健康大數據成為了目前國家獲取不同種類疾病發病率、死亡率及健康人群率等方面的主要技術工具， 但目前低精度、 不便攜的終端數據采集設備導致了數據收集難、噪聲大、處理難等問題[15]；特殊醫學用途配方食品方面，公眾認知度低，生產技術體系落后，產品大多以仿制國外為主，自主知識產權少，國內企業目前還無法突破國外技術壁壘[16]；我國生物基材料產業起步較晚[17]，培養肉研究還處于初級發展階段[18]，當前產業發展所涉及的工業微生物發酵、生物合成等技術仍處于產業化前端的基礎研究階段；當前廣泛應用的納米化材料對人體健康的風險也缺乏科學全面的評估數據，尤其是基于毒理學研究的對人體生殖毒性研究亟待強化；部分典型食品行業長期以來屬于水污染重點控制行業，是部分水體富營養化的主要原因，廢水處理后污泥的合理處置也面臨較大難題；同時食品發酵工業、畜產加工過程會產生大量惡臭氣體，部分行業生產過程中也會產生大量的固體廢棄物；如何加強環境質量對食品工業農副原料的風險控制，實現食品工業清潔生產及污染防治綜合技術系統集成亦迫在眉睫。

3 全鏈條技術交叉融合創新領域重點發展方向

當前，面對食品產業鏈條上的各環節帶來的重要機遇和挑戰，食品產業亟待技術革新，全鏈條技術交叉融合創新領域展現出優越性能和廣闊的應用前景，同時，也面臨高質量、高技術發展的緊迫訴求，亟須迫切推動全鏈條技術交叉融合創新在各領域重點發展。

3.1 利用新型信息化技術

利用云計算、大數據、人工智能、區塊鏈等新型信息化技術，構建食品安全社會共治大數據平臺與食品健康大數據平臺， 實現多源數據融合創新，提高食品安全治理效能，強化食品營養，提高人民健康水平。

完善以食品大數據為引領的區域科技創新體系，打造食品大數據綜合試驗區，解決各行業、各部門的數據信息孤島問題、 大數據人才瓶頸問題，通過食品健康大數據平臺的建設，形成一批具有核心競爭力的大數據產品，培育一批大數據企業；推動大數據在產業創新、跨行業融合、民生服務等領域的廣泛應用， 形成一批成熟的行業系統解決方案；建設一批面向政務和公共信息資源的數據整合共享開放平臺，大數據支撐政府決策和公共服務能力顯著增強， 進一步推動全供應鏈過程中生產者、消費者、政府監管部門和醫療機構等相關者之間的數據的合理流動與深度融合， 最終實現食品來源可溯、流向可追、質量可控、責任可查、風險可估、疾病可防的目標。

3.2 開發多組學數據庫

開發具有獨立自主知識產權的生物信息學分析技術及基于大數據分析技術的多組學數據庫，闡明食物功能因子與人體健康關系，并突破健康營養食品精準制造和個性化精準設計關鍵技術。

成功開發國際先進、具有完全獨立自主知識產權的生物信息學分析技術及基于大數據分析技術的各類組學數據庫，為闡明食物功能因子與人體健康關系提供強有力的數據支撐，同時提供面向世界范圍的商業化數據分析應用服務；全面建成具有我國各種類型特殊人群含有菌群譜庫以及 “菌群-健康”調節通路的大型數據庫，建立硬件、軟件設施相匹配的大型基站，為科學研究提供海量、多元化數據參考，初步建立基于菌群結構特征的各種慢病或者營養不良狀態預警機制；逐步實現個性化全生命周期的精準營養服務， 推動農產品加工業向工業4.0 跨越； 基于營養基因組學， 以個體基因型為基礎，開發個性化的特醫食品，從食物中篩選能夠降低癌癥發生風險的活性成分，通過先進的富集技術和合理的組方設計，實現功能成分穩態化保持及靶向遞送的目的，實現對個體的精準營養干預；開發出不少于100 種健康產品，產生經濟效益超過百億元規模。

3.3 構建特定合成能力的細胞工廠

利用合成生物學發展技術構建具有特定合成能力的細胞工廠“種子”，大量獲得人類所需要蛋白質、油脂、淀粉、糖、奶、肉等各類農產品、食品。

利用合成生物學發展技術構建具有特定合成能力的細胞工廠“種子”，在一些蛋白質、油脂、淀粉、食品功能組分及添加劑等領域取得重大技術突破， 實現80～100 種生物合成食品組分在國內乃至全球范圍內的推廣；搭建成熟、自動化的合成生物學平臺，大力拓展AI 技術在該領域的應用，實現AI輔助的全自動生物合成的設計及實施；針對重要食品功能產品，通過精確靶向調控，大幅度實現功能產品在異源底盤和原底盤細胞中的合成效率，減少副產物生成，最終實現全細胞利用。

3.4 應用和推廣食品加工與制造領域高新技術

擁有自主知識產權的培養肉生物制造工藝，實現實驗培養肉生產功能化、定制化和智能化，并用于工業化示范，建立國際一流的培養肉的生物制造和食品化整合平臺，健全培養肉生產監管和安全評價體系；結構食品的基礎研究水平和產業支撐能力引領國際食品產業發展，形成食品產業創新中國模式，有效支撐食品-環境-健康的良好互動，從食品產業系統角度，初步形成彰顯中國智慧的可持續性飲食模式； 食品-生物基材料最終下游產品獲得千萬噸乃至億噸規模放大，獲得市場廣泛應用，并廣泛取代石化基材料；食物資源信息、人體代謝與營養需求信息、 工業化3D 智能打印逐漸成熟和普及并深度融合，實現食物生產、食物制造等高度智能化和綠色可持續性發展。

3.5 應用和推廣食品質量安全控制領域高新技術

將基于基因回路的檢測手段固封在電子芯片中，實現食品安全檢測的全芯片化和信息化，解決我國食品源頭污染嚴重、過程控制能力薄弱等問題，從根本上解決我國食品的安全性問題，提高食品安全的可靠性；勾畫出完整的我國食物中塑料微粒和環境雌激素的“分布地圖”，清晰闡明關鍵因子對人體健康的影響規律，建立有一套行之有效的調控策略。 相關監管與控制納入政府立法文件，建立食物中塑料微粒和環境雌激素預警機制。

3.6 系統集成典型食品行業主要環境問題的清潔生產和污染防治技術

針對生物發酵、酒類、制糖、食品添加劑等典型食品重污染行業，在前期數據庫建立及數據挖掘基礎上，形成食品行業全生命周期的清潔生產技術標準體系，實現適應不同食品行業特點的清潔生產及污染防治系統集成技術服務，實現環境質量對食品工業生產質量及食品安全的風險預警。

4 結 語

以保障食品安全、改善公眾營養健康水平和實現人類社會可持續發展為目標，運用全鏈條技術交叉融合創新模式， 加快推進食品大數據應用革新，突破健康營養食品精準制造和個性化營養健康食品精準設計關鍵制造技術，促進食品加工制造高新技術研發與應用，增強合成生物學和結構生物學對食品行業發展的支撐力，減少食物浪費及實現清潔生產，保障食品安全、食品結構均衡、食品營養豐富、環境生態的可持續發展等對解決我國食品領域當前存在的問題和應對未來的挑戰具有重大意義。