袁隆平先生让我们能够吃饱饭,但面向未来的粮食挑战依然无处不在。

特色食物油炸蚂蚱。|图虫创意

作者 | 郭菲

对于大部分中国人来说,每天都能享用到足够数量和质量的碳水化合物以及肉、蛋、奶等蛋白质食物。但对于全球仍然生活在欠发达地区的数十亿人来说,顿顿吃饱饭餐餐有肉吃仍然是美好的幻想。而随着人口增长和环境压力增大,在未来,我们可能不得不扩展自己的食谱,食用如今看来不可思议的食物。

食品生产体系比想象脆弱2021年5月,发表在《自然·食物》上的一项研究指出,在气候变化、环境恶化和流行病因素的影响下,现有的农业生产模式和高度依赖全球化的食物供应系统无法保证未来的食物供应。我们需要开发新型食物和配套的生产系统。据联合国粮农组织预测,到2050年,地球人口将达到90亿到100亿。与此同时,伴随着发展中国家的现代化进程,人类总体生活水平将有进一步提高,这将要求全球食品工业的生产能力至少比现在提高70%。

然而,食品生产和其他各种工业生产模式一样,不可能不受限制地扩张。我们面临的制约主要来自两个方面,第一,食品生产过程造成的巨大环境压力;第二,目前食品生产模式本身的脆弱性。前者来自于外界,而后者则来自于食品生产自身。先来看看食品生产对生态环境的影响。以牛肉生产为例,肉类工业已然对全球生态环境造成了巨大压力。牛肠道中会产生大量甲烷气体,比二氧化碳的温室效应强数十倍,而且很难管理和控制。畜牧业目前产生的温室气体排放量已经达到了与交通运输业和工业相当的水平,占到了全球温室气体排放总量的18%。作为牛饲料主要成分的大豆种植,也是环境压力的一大来源。全球大豆产量的80%以上都是用于喂养家禽和家畜。

在过去50年间,全球大豆产量扩大了十倍,种植面积已达100万平方公里,相当于3个日本。而家畜饲育本身也占据了全球77%的农用地,其中绝大部分是肉牛养殖农场。这些都造成了对森林、草原和湿地的侵占和破坏。再来看看现有食品生产模式的脆弱性。在全球变暖背景下,当前种植业和养殖业面临一系列挑战,极端天气增加,授粉昆虫数量锐减,植物病虫害多发,动物疫病流行,等等。2019年,东非各地爆发严重蝗灾,埃塞俄比亚、肯尼亚、乌干达等东非各国的粮食生产遭遇毁灭性打击,影响一直蔓延到阿拉伯半岛和南亚。据联合国粮农组织统计,蝗灾从2019年一直延续到2021年,仅肯尼亚一国的高粱产量就比往年减少20%以上。

肯尼亚蝗灾中的儿童。|来自网络

除却这些直接因素,间接风险因素也不容小觑。比如新冠疫情期间,各国纷纷采取隔离措施,限制人员流动,严控国际间农牧产品运输,对全球食品产业链造成巨大冲击。而东非蝗灾也恰好发生在同期,使得各国协调抗蝗灾的统一行动困难重重,人员和物资的运输以及一线工作者的培训都深受影响。这一切都提醒我们,对待粮食问题需要未雨绸缪。人类未来吃什么?

食品短缺对任何国家都是无法承受的灾难。那么,不同种类的食物,前景又都如何呢?在人类食谱中,碳水化合物,即主粮,处于最基础的位置。它是我们身体的主要物质基础和能量来源。缺少蛋白质和维生素,我们在短期内可能不会有什么反应,但如果缺乏碳水化合物,可能在几天内就会让人失去生命。比较可惜,在有限的未来,我们还看不到所谓“主粮革命”的可能性。就算我们不吃主食,仅以糖类制品代替,这些糖类也需要通过主粮种植来获取。并且我们早已习惯了米饭、面条、马铃薯的肠胃和整个代谢系统,也完全有可能因此而发生短期甚至长期的糖类代谢异常。

世界各国乃至各地都有自己的主食偏好,这是由各种主粮作物的地理分布决定的。既然不太可能增加全新的主粮种类,我们可以通过提倡饮食习惯的改变,来尽可能丰富大家的主食品种,以此抵消单一主食带来的供应和营养风险。当然,这对于全球的贸易和物流体系同样是一个挑战。

改变饮食习惯,可以抵消一部分粮食风险。|图虫创意

与主粮对应的是蛋白质,它同样是人类机体不可或缺的营养元素,是构成我们身体的砖石。一旦长期不能获得足够的蛋白质,人类的身体将出现一系列不良症状,正常的生理活动也会发生失衡和紊乱。传统的蛋白质来源包括豆科植物、肉类、蛋、奶以及真菌等,但一场蛋白质革命很可能正在酝酿。虽然我们必须警惕发达国家利用它来增大环保话语权,以打压发展中国家正当发展的可能性,但对这一趋势给予适当关注仍然相当必要。

鉴于目前食品工业面临的巨大环境压力,有研究认为,最早在2030年左右,人类蛋白质食物的供需平衡就将被打破,我们将不得不以更大的环境代价来获取肉类蛋白质。在传统肉类工业中,产出1千克牛肉需要消耗将近10千克饲料和大量淡水,投入产出比非常低。而发展新型人造蛋白质,有可能帮助解决目前蛋白质生产中高耗能、低效率、占地面积大、生产方式不灵活等问题。

不同肉类生产消耗对比。鸡肉比较“友好”。|Environ. Sci. Technol. 2011,45,6117-6123

目前已经面世或尚在研究阶段的新型蛋白质来源主要有单细胞藻类、昆虫蛋白粉、真菌蛋白仿制肉、植物蛋白仿制肉以及干细胞人造肉等。可以看出,在这些蛋白质食物中,仅有干细胞人造肉能够称得上是真正的肉类。与现有畜牧业相比,人造肉可以减少99%的用地、削减90%的所需水分,并且将二氧化碳排放量降低96%。不过,干细胞人造肉现阶段造价极为昂贵,还看不到走出实验室的前景。造成其高昂成本的主要原因是,目前培育人造肉过程中必须用牛胎儿提取的血清作为营养基,这不仅极大限制了产量,同时也制造了新的动物伦理问题。不过一旦牛胎血清的代用品研发成功,人造肉很可能率先走上人类餐桌。单细胞藻类、酵母,甚至真菌,同样是蛋白质的良好来源。但它们各自存在味道单一,以及大规模生产困难等问题。而昆虫蛋白是目前研究的重点。

昆虫蛋白质具有种类和营养丰富,生产成本以及碳排放低等特点。根据估算,同样生产1千克蛋白质,昆虫所需的占地面积仅仅是肉牛养殖所需的1/20。此外,昆虫蛋白质种类多达10万种,可以称得上营养丰富。当然,这些人类日常食谱中没有的蛋白质中会不会存在过敏原也是必须关注的问题。另外,食用昆虫在所有文化中都不能算作是主流,目前来看即便是昆虫制品恐怕也很难说服人日常食用。

植物蛋白是目前发展相对成熟的肉类替代蛋白,其主要分为三种。第一,大麦奶、豆奶和杏仁奶等人造奶,它们具有低糖、高钙、低脂及无胆固醇等特点。第二,以植物蛋白为主要成分制成的代餐饮品,其具有低排放和保质期长等特点。第三,以来自大豆和豌豆的植物蛋白为原料制成的块状人造植物肉,其具有不含激素、抗生素以及无麸质(麸质也是一种潜在过敏原)等特点。这么多种类的蛋白质一起,相信能满足我们未来的营养需求。

世界上第一块人造牛排肉,尺寸:1.0 cm× 0.8 cm× 0.7 cm |来自网络

此外,我们也没忘了维生素和各种微量元素。蔬菜和水果是它们的重要来源,同时也因其品种丰富、口味多变而成为饮食文化中不可或缺的主角。很多蔬果实际也是重要的碳水化合物和蛋白质来源。未来果蔬,可能会从品种培育和栽培方式创新等两方面实施渐进升级,采用生物工程手段,加快品种改良步伐,令其口感更好、营养更丰富、外观更完美。未来食品生产体系尽显“高大上”未来食物当然也需要未来派的生产方式来获取。

未来食物生产,很可能向两个方向发展。即主粮类作物生产化零为整,而蛋白质来源食物和蔬菜水果则化整为零。对于主粮类农作物,像温室蔬菜一样进行全年无休的室内种植、以期在缩减种植面积的前提下增产并不现实,毕竟就人类所需的主粮数量来看,很难通过这种方式加以满足。所以应当反其道而行之,尽可能扩大单一农场面积,通过现代化管理和采用各种先进农业技术提高单产,同时降低成本。例如,使用程控无人机和各种自主动作设备,实现种植、灌溉、农药喷洒、施肥和收获的自动化。

利用物联网技术实时监控农地中的各种相关数据,将整个农场变成一个有机体,实现作物种植的信息化。甚至采用人工智能技术让后台终端自动学习、判断最适宜目前光、热、水条件的种植行为,实现智能化。而且,通过生物工程培育的转基因作物,也将比传统作物具有更好的抗性和更高产量。

主粮种植很难转移到室内,室外大规模自动化是大趋势。|500PX

对于蛋白质类食物的生产,则完全有可能在开拓新种类蛋白来源的同时,将食品工厂的规模缩减,同时利用好城市中的闲散用地,增加工厂数目。这将把室外进行的种植和养殖行为转化到室内可控条件下进行,对恶劣天候和病虫害的抵抗能力必然大幅提升 。

例如,将原本占地庞大的肉牛饲育转变为垂直型的人造肉工厂,不仅可以大大缩减用地,还能从根本上消除动物病害和抗生素、激素的使用。又比如,在高层建筑的地下室内布置微藻光生物反应器或昆虫繁殖温室,实现城市局部性的蛋白质自给自足。

用于生产螺旋藻和小球藻的全封闭光生物反应器。封闭生产可有效减少自然环境对生产的影响。

|Imagecourtesy of Vaxa, Iceland.

至于蔬菜瓜果的无土栽培和室内种植则早已是成熟技术,其成本已经下降到比大田同类稍高的程度。加上其有机农业的属性,能够在市场上与大田作物形成差异化竞争,已经有多家巨头企业进入室内小型蔬菜工厂的新赛道。

这些完全在室内培育的植物,生长周期不受日照左右,也无需土壤基质。更重要的是,在与大田相同的面积上,室内栽培可以在垂直方向上布置几十层营养基,瞬间将单位占地面积的产量提高到了大田的几十倍。就在这篇文章落笔成文的时候,我国伟大的农业科学家袁隆平院士永远离开了我们。

他的一生都在为人类摆脱饥饿的阴霾而不懈努力,晚年亦坚定地支持基因工程等先进农业技术的发展,消除各种误解。新一代的农业科技工作者,必将继承袁老的衣钵,让人类远离饥馑,享受更多来自美食的愉悦。未来的食物生产,必将更专业、更多样、更高效、更清洁。

(编辑 高佩雯)

参考文献:

  1. Future foods for risk-resilient dietshttps://www.nature.com/articles/s43016-021-00269-x2. Future of Food and Farminghttps://www.baycurrent.co.jp/our-insights/pdf/Future%20of%20Food%20and%20Farming.pdf3. The future of food and agriculture: Trends and challengeshttp://www.fao.org/3/i6583e/i6583e.pdf4. Environmental Impacts of Cultured Meat Productionhttps://pubs.acs.org/doi/10.1021/es200130u文章由“中国科学技术出版社”(ID:cspbooks)发布,转载请注明出处。

来源: 中国科学技术出版社

昆虫馅饼配海藻酱料,未来我们就吃这?

图文简介

对于大部分中国人来说,每天都能享用到足够数量和质量的碳水化合物以及肉、蛋、奶等蛋白质食物。但对于全球仍然生活在欠发达地区的数十亿人来说,顿顿吃饱饭餐餐有肉吃仍然是美好的幻想。