我们目前的食品供应系统无法正常工作。全球大量的人都饿了，无法获得健康，营养的食物，这也损害了地球。与到2050年，世界人口预计将增加到100亿人口，迫切需要寻找更多可持续和健康的食物供应。在本文中，我们重点介绍了开发未来食品的最新研究。

我们的食品供应链的挑战

“有一个论点是，我们的食品供应链模型并不特别适合今天，但我认为更重要的问题是它将在将来满足我们的需求。”克莱尔·鲍姆坎普（Claire Bomkamp），专门从事栽培肉类和海鲜的高级科学家好食品研究所，一个全球非营利组织，致力于加速替代蛋白质创新。

“食品工业是一个复杂的系统，无法通过各种个人挑战（例如温室气体排放或鱼类生物多样性损失）来查看。问题确实是我们如何建立一个满足我们未来需求的系统，因为日益增长的人口和收入导致对肉类和海鲜的需求增加？”

一项2018年的荟萃分析估计，粮食生产释放出所有被人为引起的温室气体的四分之一以上，农业灌溉占人类使用的所有淡水的三分之二。¹同一份报告估计，该地球的土地面积的37％已经致力于食品生产，并且根据联合国食品和农业组织，我们只有7％的渔业是“无流行的”。这表明了地球的资源已经多么稀缺，以及使用当前方法扩大我们的海鲜生产的机会很少。

可持续食品供应的解决方案

2019年，国际研究人员提出了饮食饮食，这是一项进餐计划，旨在养活2050年估计的100亿人口。²该计划要求大量降低蛋白质消耗（每人约200 g/天），其中肉，鱼和鸡蛋仅包括84克，其余由豆类和坚果组成。它旨在维持地球，还维持人们的健康。

“许多慢性疾病与我们的饮食有关。”戴维·朱利安·麦克莱门茨（David Julian McClements），马萨诸塞大学阿默斯特大学食品科学系的杰出教授。“多年来，人们被告知要吃很多水果和蔬菜，但是许多人没有时间，金钱或倾向。因此，我们需要研究如何使加工食品方便，快速且负担得起，但也对每个人来说也是健康和可持续的。”

McClements说，从基因编辑到提高农作物产量和弹性，到使用机器人，自动化和人工智能来提高供应链效率，有许多潜在的解决方案。但是，不可避免的事实之一是，我们目前和未来对动物源蛋白的消费根本是不可持续的。这就是为什么像McClements这样的研究人员正在努力设计替代品味的动物食品，这些食物可以以相同的方式烹饪，但对环境和我们的健康有益。

基于植物的食物替代品

直到最近，MCCMENT的研究集中在使用纳米技术来封装维生素和营养素，以使其保持稳定在食品中并增加营养生物利用度。但是，随着替代蛋白质来源的重要性变得显而易见，他的研究团队转向设计植物性食品利用食物生物化学如何影响味道，质地和外观的知识。^{3，，，，4}

McClements解释说：“最大的挑战是动物产品具有与您在植物中发现的蛋白质不同的独特蛋白质。”“在肉类中，您有这些柔软的纤维蛋白，当咀嚼时会产生理想的质地和口感，而植物蛋白是球形的纳米尺寸蛋白球。我们需要将这些球哄骗成字符串，以模拟真实肉类产品的质地和微观结构。”

他们通过使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与多糖混合在一起，它们会进行相分离，将其组织成两层。”“当这种混合物轻轻搅拌时，它会形成纤维结构，我们可以与食品级酶交联，将纤维锁定到位。”这模仿了肉的微观结构，但这只是第一步。需要进一步开发以实现肉类产品的质地，外观和口感。“烹饪肉的棕色来自Maillard反应例如，当蛋白质和碳水化合物与热相互作用时，而食物的多汁性取决于蛋白质网络的水含量。然后，我们可以用omega-3脂肪酸或维生素加固这些食物，或者将其重新制定以避免血糖尖峰，从而帮助管理糖尿病的人们。”

培养的肉类和海鲜

另一种方法是培养肉和动物细胞系的鱼。实际上，现在有70多家初创企业专注于开发培养的肉类投入，服务和产品，根据GFI的2020年行业报告，在2020年末，栽培的肉在餐厅菜单上首次亮相新加坡批准了它作为成分在鸡块产品中。

Bomkamp说：“我认为GFI在过去几年中取得的最激动人心的事情之一是建立一个研究人员社区，这些研究人员正在研究耕种的海鲜和耕种肉的不同方面。”许多海鲜研究仍然是早期的，但是GFI现在已经资助了广泛的项目栽培的肉以及为从事的团队提供的新赠款用于培养虾的纳米纤维支架， 和藻类脚手架用于栽培鱼。

开发培养的肉类和海鲜产品的主要挑战之一是为细胞生长创造了适当的脚手架，这使最终产物具有野生肉类或鱼类的质地，口感和外观。“如果您要为牛肉设计的脚手架，并尝试在上面种植海鲜细胞，那会起作用吗？也许，但是从味道和质地的角度来看，这可能不是很好。” Bomkamp解释说。“鱼类和哺乳动物肌肉的几何形状不同：使用哺乳动物肌肉，您经常看到诸如大理石花纹的特征，但是使用鱼，如果您想象一下鲑鱼的圆角，则有那些白色的脂肪和结缔组织，纤维是面向90的。该结构的学位。重要的不仅是脚手架的设计，而且是制造技术，并以可扩展的方式开发它们。”

最近的进步包括从类似于成纤维细胞但似乎分化为许多不同细胞类型的鱼鳍的细胞系开发。⁵Bomkamp说：“如果事实证明，这可能会改变田野，这可能会采用易于生长的鱼纤维细胞系，并将其区分为制作鱼片所需的肌肉和脂肪细胞。”

未来的挑战和机遇

没有一个单一的障碍可以阻碍开发栽培肉的方式，更多的是从成本和规模的角度来看的一系列驱动因素，即细胞培养，媒体和生物反应器的进步。Bomkamp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，易于消毒的食品生物反应器。”

还需要考虑细胞，生长因子和养分等原始材料。“我们可以整天考虑替代蛋白质技术，但是我们要在哪里获得投入？”Bomkamp说。“替代海鲜将需要大量的omega-3脂肪酸来源，因此我们需要能够扩大生产的供应商，无论是来自藻类耕作，精确发酵，植物分子养殖还是无细胞的系统。”

“收获后，我们还需要了解栽培的海鲜和肉类会发生什么。传统的肉不仅是肌肉，而且肌肉已经经历了各种衰老过程，并且受到各种因素前和屠宰的影响。一个主要的挑战是，我们如何将其构建为通过细胞系中的食品设施中种植的产品。”

也很重要与可持续粮食生产的其他方面协同作用。“栽培肉成为一个非常好的解决方案，就是当我们用清洁能量生产它时。替代蛋白质倡导者还需要支持清洁能源和反之亦然” Bomkamp说。“传统肉类生产的最大负面影响之一，尤其是陆生肉，是破坏森林及其捕获碳的能力的土地使用变化。如果我们能扭转这种趋势并生产我们所需的食物，那么土地却有什么机会？我们需要提前思考，以确保政策和激励措施允许以有益于气候的方式使用额外的土地。”

但是，由于这些挑战，具有广泛技能的新一代研究人员带来了独特的机会。Bomkamp说：“很容易将其视为科学或商业问题，而实际上，我们需要来自各种具有不同兴趣的背景的人 - 从计算机科学家到建模生物反应器设计，再到可以烹饪这些产品的厨师。”

麦克莱门顿同意说：“目前，这是一个非常令人兴奋的领域。”“我从来没有这么多学生想在实验室工作，因为每个人都对这些植物性食物充满热情，并利用它们来改善人们的健康和环境的可持续性。”

参考

1. Poore J，Nemecek T.通过生产者和消费者减少食物的环境影响[出版了科学。2019; 363（6429）：]。科学。2018; 360（6392）：987-992。doi：10.1126/science.AAQ0216

2. Willett W，RockströmJ，Loken B等。人类世的食物：可持续食品系统的健康饮食饮食委员会。[已发布更正出现在柳叶刀。2019; 393（10171）：530] [出版的更正出现在柳叶刀。2019; 393（10191）：2590] [出版的更正出现在柳叶刀。2020; 395（10221）：338] [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：建造下一代肉，鱼类，牛奶和鸡蛋类似物。Compr Rev Food Sci Food Saf。2021; 20（4）：4049-4100。doi：10.1111/1541-4337.12771

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

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