食品技術的歷史回顧與未來展望（五）

文/張以恒 編輯/易可

◆ 第四次農業革命

現代農業逐漸暴露了其局限性，它導致化肥、農藥、除草劑的大量使用和土壤退化。20世紀90年代初，又發現用現代農業技術種植的高產谷物中礦物質和維生素含量很低，用作糧食常因維生素和礦物質營養不良而削弱了人們抵御傳染病和從事勞動的能力，最終可能使一個國家的勞動生產率降低，經濟的持續發展受阻。

第四次農業革命包括有機農業、精準農業、免耕農業等的一系列新技術。

1.有機農業。有機農業的主要精神是屏除農藥、化學肥料、基因改造作物、植物生長調節劑等非天然物質的使用。國際有機農業運動聯盟定義：“有機農業是一個無論是土壤、生態體系及人類三者的健康均能夠維持永續（可持續發展）的生產系統。這個系統有賴生態上的過程、多元性及適應當地環境的循環，用以克服各種發展上的困難，而不是仰賴外界的介入。它是一種混合傳統、創新及科學發展的科學，使得共享的環境得益，促進公平交易關系，令相關的生命保持高素養。”有機農場會運用不同的方法，其中包括作物輪作、綠肥、堆肥，選擇合適的作物，并設置農田覆蓋物等，以控制水土流失，促進生物多樣性，并加強土壤的健康。要實現有效的有機病蟲害控制，需要深入了解害蟲的生命周期和相互作用。有機蟲害防治主要控制目標害蟲（如昆蟲）、真菌、雜草和疾病，方法包括允許一個可接受的病蟲害水平、引進一些能對抗病蟲害的有機體、選擇合時作物、作物輪作和機械控制。這些技術帶來的好處是顯而易見的，如蟲害防治、土壤保護和改善、施肥、幫助授粉、節約用水等。這些技術都有利于農場長遠生態的健康。

2.精準農業。將農業帶入數字和信息時代，是21世紀農業的重要發展方向。精準農業是在信息技術的支持下，根據作物生長的土壤性狀，調節對作物的投入，一方面查清田塊內部的土壤性狀與生產力空間變異，另一方面確定農作物的生產目標，進行定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作技術與管理的系統，進行“系統診斷、優化配方、技術組裝、科學管理”，調動土壤生產力，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境，做到既高效地利用各類農業資源，又取得經濟效益和環境效益。它并不過分強調高產，而是強調效益。精準農業系統專門用于大田作物種植的綜合集成的高科技農業應用系統，是實現農業低耗、高效、優質、安全的重要途徑。通過獲取全球定位衛星系統和各類傳感器提供的數據，人們可以收集到每一塊土地上的數據；農業機械遠程信息技術、無線通訊、云計算以及移動設備的發展和普及，滿足了精準農業對自動化和流水線作業效率的復雜需求。有全球定位功能的作物產量監測系統收集到的數據讓人們更好地了解作物在不同田間的表現和差異，從選擇合適的種子、適宜的種植密度，到病蟲害防控、有效的肥料搭配，再到收獲和倉儲，農民一年中需做出多項決定，這些決定都會影響最終收成。

3.免耕農業（又稱自然農法）——少耕耘多收獲，提倡不犁田。用犁耕作后土地容易受到風蝕和水蝕的形響。因為不犁田，有益的菌類及微生物會將空氣帶進土壤中，再配合不同作物的混栽，可以自然減少雜草及害蟲并保留雨水，也可以避免在耕作中密集地使用水、石油、肥料及除草劑。免耕農業只有在有硬質地層需要用犁田方法處理時才會犁田，因此新生成的土壤生物可以更快速且更深入地成長及繁殖。自然農法的支持者聲稱這是在化石燃料逐漸短缺的情況下唯一可行的可持續的農業耕種方式。種植多年生生物能源植物，包括柳枝稷和楊樹，可以實現真正的免耕農業。

◆ 未來的新農業——人造糧食

聯合國預測世界人口數量將在2050年達到98億，大多數人的生活水平也會上升。據預測，到2050年，人類消耗糧食將會比2010年多70%。因為中國人的飲食結構的調整（如消耗更多的肉蛋奶），中國糧食的需求總量將持續增長，糧食的進口依存度將繼續上升。現在中國每年進口大豆超過9 000萬噸，相當于幾億畝耕地的大豆產出量。

能不能用全新方法生產人造糧食呢？這是擺在科學家和工程師面前的一個重要的問題。1978年，著名作家葉永烈出版了科學幻想小說《小靈通漫游未來》，在《一頓稀奇的中飯》的章節中，他描繪了幾種新食品，如人造大米米粒像珍珠；五香醬蛋有小西瓜那么大，里面全是蛋白沒有蛋黃；清蒸肉丸由人造肉醬制成。人造糧食可按照科學飲食標準，配制符合人類健康需要的食物，不僅營養豐富，而且脂肪和膽固醇也少。

在過去40年中，工程師和科學家為解決這一課題進行孜孜不倦的探索，已取得了令人歡欣鼓舞的成果。人造糧食包括人造米、人造肉、人造雞蛋、人造油（微生物油脂）等。

最簡單的人造米是以廉價的薯類（甘薯、馬鈴薯）和谷物（玉米、高粱等）的淀粉為原料，再加上一定數量的好面粉和碎大米，經過與掛面生產類似的工藝而制成的人造大米。人造大米形狀與天然大米相同，食味和性狀可與天然大米媲美，能經受淘洗浸泡，煮成飯后仍能保持飯粒形狀，同樣可口。在完全保證食物固有的蛋白質、脂肪、碳水化合物、纖維的基礎上，增加了許多人體所需的賴氨酸、維生素（如胡蘿卜素、β-胡蘿卜素、維生素B1、維生素B2）和微量元素（如鈣、硒、鎂、鐵等），僅就維生素的含量來說，是水稻和小麥5～10倍，具有口感細膩、適口性好、飯味香、增強食欲、易吸收等特點。這種人造米有三個優點：（1）提高了廉價淀粉的營養價值，因為在制作過程中使淀粉糊化，蛋白質膠化，有利于人體消化吸收；（2）主動加入人體必需的營養成分，如賴氨酸、礦物質、維生素，以生產各種適合嬰幼兒和老人的保健營養米，如市售賴氨酸含量達1%以上的高賴氨酸人造米就克服了普通玉米缺乏賴氨酸的弱點；（3）做飯時，省時節能。

為了解決從主糧中獲取淀粉來源有限的問題，2013年，中國和美國科學家發明了一個將不能食用的纖維素轉化為人造淀粉的生物技術，將纖維素分解為纖維二糖，再重新將其組裝為淀粉。科學家們采集了一些源自細菌、真菌和馬鈴薯的酶，第一組酶首先將纖維素分解為纖維二糖（葡萄糖分子構成的雙糖）；第二組酶隨后將纖維二糖分解為一個葡萄糖分子和一個葡萄糖1-磷酸分子，這種葡萄糖1-磷酸可以合成人造淀粉；剩余的葡萄糖能夠制造生物燃料乙醇。所有的酶反應和微生物發酵可以在一個反應器中進行，沒有能量損失，不需要特殊催化劑，所有纖維素的葡萄糖沒有被浪費。全球每年大約有200億噸纖維素是可用的，樂觀地估計人們將能夠生產40億噸左右的淀粉，這是全球谷物年產量（23億噸）的兩倍。未參與此項研究的生物工程師弗朗西斯·阿諾德（2019年諾貝爾化學獎得主）表示：“這是一個簡單而完美的想法。”

人造淀粉技術的發明人說：“在中國近5 000年的歷史中，糧食安全一直是第一位的問題。”沒有足夠的糧食，危機便會發生，朝代恐將更替。例如明朝末年的小冰河期，氣候變冷導致糧食歉收以及重度饑荒，從而發生了大規模農民起義，最終明朝滅亡。

中國科學院地球環境研究所的研究成果顯示，過去兩千多年的氣候冷暖變遷，與中國歷史上一些朝代的興衰更迭存在對應關系，大多數朝代的垮塌都是發生在氣候變冷的低溫區間。秦朝、東漢、魏晉、唐朝、北宋、南宋、元朝、明朝和清朝的滅亡年代，都是處于過去2 485年來平均溫度以下或極其寒冷的時期。例如，歷史文獻研究表明，公元1～6世紀（貫穿我國東漢、三國、魏和晉朝），中國氣候相對較冷。在溫度曲線圖上，這一時期的溫度大部分都處于過去2 485年來的平均溫度值（2.07℃）以下。由于氣候寒冷，晉朝時期的草場、牧地已延伸到黃河以南區域，農業用地也在往南發展，整個中國西北部處于干冷氣候中。其中公元348年至366年間達到了過去2 485年間寒冷的頂點，年平均溫度僅為1.62℃。

全球植物每年會生產多達1 800億噸的纖維素，這些纖維素也可能來自農作物和木材工業的大量廢料。例如，每噸收獲的谷物通常都伴隨著2～3噸富含纖維素的廢料，并且大部分廢料最終都被浪費了。同時，利用多年生生物能源植物，包括柳枝稷和楊樹，它們都生長在需要少量水、肥料、除草劑和殺蟲劑的貧瘠土地上。現種植多年生作物對單年生作物的優勢。大力發展利用非糧生物質生產人造淀粉就是最好的“藏糧于地，藏糧于技”的技術之一。（未完待續）