未来食品内涵深远、外延广阔，不但涵盖食物的生产、收获、贮藏、加工、包装、分销、消费等各个环节的理论与技术，而且与农业系统、生态资源、地球环境、动物福利、人类精神文明等密不可分。中国农业大学食品科学与营养工程学院廖小军，赵婧，饶雷，吴晓蒙，季俊夫，中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所徐贞贞梳理了人类面临的食物供给不足、食物损失浪费严重、营养健康需求迫切等问题。分析和展望了未来食品热点研究领域和发展趋势：以无土栽培、单细胞培养、生物催化等为基础的植物工厂、细胞工厂、化学合成等新型食物生产方式成为传统食物生产系统的有力补充，加之对食物新资源的挖掘和利用，实现可持续的食物供给；通过完善食物收储运和数字化供应链体系，建立基于原料和产品的合理加工方式，开发食品新型绿色加工与智能包装技术，最大限度地减少食物损失；采用挤压剪切、3D打印、纳米组装等工程化食品加工技术和智慧型工业化餐饮模式，融合大数据和感知交互的个性化设计，制造满足消费者精准需求的未来食品。总结了未来食品的新理念、新资源、新技术，以期为未来食品产业的健康和可持续发展提供一些科学的参考。
近年来，未来食品成为农业科学与食品科学界的热议话题和研究热点，通过 “future food”关键词在Web of Science 数据库搜索，近5年(2017—2021年)讨论未来食品的文章比2002—2006年增长了3倍多。2019年，美国马萨诸塞大学食品系杰出教授David Julian McClements出版了Future Foods一书，以科普的口吻讲述了现代科学如何改变我们的饮食方式。2021年，我国食品领域知名学者陈坚院士和刘元法教授主编了《未来食品科学与技术》一书，总结了食品科学技术的最新进展，预测了未来食品科学技术的发展趋势。2019年，学术界著名出版商Elsevier创办了国际上第一本Future Foods期刊，将如何通过发展新技术和开辟新资源来提高食品生产系统的可持续性，以应对全球气候变化和人口增多的挑战作为期刊宗。2020年，北京食品科学研究院与Elsevier合作创办了Journal of Future Foods期刊，聚焦食品领域的颠覆性技术。除此之外，国内外相关学术刊物也相继出版特刊专栏，关注未来食品热点问题和研究成果。本研究拟从未来食品面临的挑战入手，梳理和分析未来食品热点研究领域和发展趋势，从如何获取更多的食物、如何减少食物的损失浪费、如何满足人类对食品营养健康美味和个性化的需求3个方面介绍食品科学技术的前沿成果和发展方向，旨在为未来食品产业科技创新和转型升级提供一些参考。
食物供给不足、损失浪费严重、人类营养健康需求迫切等现实问题驱动未来食品科技革新和产业转型升级。未来食品的生产和制造需要在减少资源环境压力的基础上，满足人类对食物的多样化需求。
食物是人类生存的基础，保证食物安全供给是实现人类可持续发展的必要条件。世界人口从1950年的25.4亿增长到2021年78.7亿，总量增加了两倍。全球人口的迅速增长给食物的供给带来了严峻的考验。尽管随着科技的进步，人类利用传统方式生产食物的效率得到了显著提高，但食物供给不足导致的饥饿仍是全世界面临的主要问题。据联合国粮农组织(FAO)统计，2020年全球饥饿人口数量高达7.68亿，每年5岁以下儿童因食物不足和营养缺乏死亡的人数约有300万。同时，人类可利用的地球环境资源日趋紧张，人均耕地和水资源拥有量逐年下降，至2017年，全球人均耕地面积和水资源比20世纪60年代初均下降了约56%。不可预测的气候变化、极端天气、自然灾害等多重风险对传统食物生产系统带来威胁。另外，人类活动造成的大量碳排放对生态环境造成进一步的破坏，显著降低了生物多样性和生态恢复能力，使本就紧缺的地球可再生资源雪上加霜。近年来，全球区域冲突与战争频发。这些因素对未来的食物供给埋下了严重的隐患，如何大幅度提升食物的供给能力成为未来食品的一大挑战。
FAO统计数据显示，全球每年食品供应链上的食物损失约占全球食物供给量的1/3，其中每年约有14%的食物在收储运和加工包装环节被损失(图1)。
中亚和南亚、北美洲和欧洲都是食物损失的重灾区，根类、块茎和油料作物的损失超过25%，水果和蔬菜、谷物和豆类的损失分别可达到约22%和8%(图1)。食物在销售和消费环节产生的浪费同样不可小觑。联合国环境规划署最新发布的《食物浪费指数报告2021》指出，2019年全球食物总量的17%被浪费，达9.31亿t，其中家庭消费浪费占61%，餐厅、交通工具、学校等提供的食物服务浪费26%，食物零售浪费占13%。2015年中国城市餐饮食物浪费总量约为1 700万～1 800万t，相当于3 000万～5 000万人一年的口粮。此外，食物能量摄入过剩和营养不均衡也是食物的一种隐性浪费。近两年，新冠病毒大流行使面临食物和营养威胁的人口进一步增多，2020年全球仍有近23.7亿人无法获得充足的食物。值得注意的是，食物损失和浪费不仅是食物本身的减少，也意味着生产这些食物的过程中所投入的土地、水等自然资源的消耗和温室气体的额外排放而给环境带来的负面影响。联合国2015年发布的《2030年可持续发展议程》报告提出了17项可持续发展目标，其中第12条“负责任的消费和生产”强调指出，到2030年全球将零售和消费环节的食物浪费减半，并减少生产和供应链上的食物损失。
高糖、高盐、高热量、低营养的过度加工食品(ultra-processed food)在全球范围内的消费以20%～90%的年均速度增长，不良膳食结构引起的健康问题日趋严重。《柳叶刀》的调查显示，2017年饮食危险因素造成全球1 100万死亡，占死亡总人数的22%。我国饮食结构问题主要包括高钠、高脂、高糖、低水果蔬菜和低杂粮饮食，其造成的心血管疾病死亡率、癌症死亡率都位于世界第一位。2020年我国成年人高血压患病率高达27.5%，糖尿病患病率为11.9%，高胆固醇血症患病率为8.2% 。随着消费者健康意识的觉醒，对食品营养和健康提出了更高的要求，尤其在新冠疫情的冲击下，实现饮食营养和安全的愿望持续高涨，健康意识也开始逐渐由“被动治疗”转变为“主动预防”。同时，人们的营养消费意识正逐渐从“大众化”向“个性化”转变，消费者对个性化定制营养健康食品的期待在迅速增长。英国资深营养媒体New Nutrition Business 2019年发布的食品营养与健康10大趋势中，碎片化和个性化(fragmentation & persona-lization)位列第6。
到2050年，世界人口预计将达到97亿，需要全球食物产出增加约70%。未来的食物生产需要在最大限度地减少对环境、气候、自然资源依赖的同时，提高生产效率、增加食物产出、保障食物安全，实现可持续的食物供应。基于科技创新的植物工厂、藻类工厂、细胞工厂、人工合成等新型食物生产方将会迅速发展，高效生产粮食、蔬菜、肉、淀粉、油脂、蛋白质和功能性营养素等食品和组分(图2)。
此外，对昆虫、可食花等食物新资源的挖掘和利用将从源头上提高食品原料的多元化和可持续性，保障食物供给。
植物工厂是在完全密闭或半密闭条件下通过高精度环境控制，实现作物在立体空间进行周年计划性生产的高效农食系统，被国际上公认为设施农业的最高级发展阶段。植物工厂可利用计算机和电子传感系统对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物的生长发育不受或很少受自然条件制约。日本人工光型植物工厂技术全球领先，至2020年2月共建有386座植物工厂，预计到2030年，供货量将达到6.2万t，市场份额超过10%。德国Infarm公司利用高容量、自动化、模块化的种植与配送中心，生产的作物相当于10 000 m2的农田，粮食生产效率比传统土壤农业高400倍。我国陕西旭田光电农业科技有限公司推出I-farmer植物工厂，负责运营阿里普兰、新疆阿勒泰白哈巴、拉萨、内蒙古额济纳旗的蔬菜工厂。中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所开发的高光效低能耗LED智能植物工厂关键技术获得2017年国家科技进步二等奖。2021年，中国农业科学院都市农业研究所实现了植物工厂水稻种植60 d左右收获的重大突破，将传统大田环境下120 d以上的水稻生长周期缩短了一半。中国科学院植物研究所利用高效LED光谱技术和营养液调控技术，在福建建立了国际首栋1万m2蔬菜工厂，从播种到采收仅35 d，日产蔬菜1.8～2.0 t。另外，植物工厂与基因编辑技术相结合，还可以生产出高附加值的食物，2021年9月，日本已批准利用CRISPR编辑技术所培育的富含γ-氨基丁酸番茄(含量为传统番茄的4～5倍)进入市场，这是CRISPR编辑食品首次在市场出售，预示着基因编辑食品消费时代的到来。
藻类富含蛋白质、膳食纤维、长链不饱和脂肪酸、维生素等营养成分，具有抗氧化、免疫调节、抗癌、保肝和抗凝等多种活性，多添加于饼干、通心粉、汉堡、鸡肉卷等食品中，用来打造“超级食品”。到2023年，藻类食品的市场份额预计达到52亿美元。传统的大型藻类，如海带、紫菜等产业规模较为成熟，而红球藻、绿藻、螺旋藻等微藻也已经实现了工厂化生产。螺旋藻是一种营养丰富、光合利用度高的微藻，在水体中大量培植微藻消耗的资源极少。目前我国螺旋藻工厂逾70家，养殖总面积约750万m2，年产量超过9 000 t，占国际市场60%以上。除直接添加和利用外，利用微藻生产β-胡萝卜素、藻蓝蛋白、虾青素、ω-3不饱和脂肪酸等功能性食品原料成为一大趋势。红球藻富含虾青素，其抗氧化能力是维生素E的550倍。中国科学院海洋研究所发现并证实多种非光依赖型呼吸代谢途径可有效调控红球藻虾青素合成积累，为大型封闭式红球藻光生物反应器的构建奠定了基础。微藻的市场化应用仍面临规模化、标准化养殖，低成本脱水、功能成分提取等技术瓶颈，一旦突破了这些技术瓶颈，藻类工厂作为未来食物新型生产方式将具有更高的市场价值和可持续性贡献。
目前产业化的动物细胞工厂多用于糖基化活性蛋白等医药产品的生产，以弥补原核细胞表达系统在转录和修饰方面的缺陷。在食品领域，利用大规模动物细胞培养进行替代肉的生产，是目前关注的热点。细胞培养肉基于干细胞的分化和增殖特性，利用组织工程技术，体外培养动物干细胞，结合特定的支架系统组装成与动物肌肉组织高度相似的模拟肉。用于培养肉生产的干细胞必须同时具有无限、快速增殖而不损失干性且不发生性状改变或失去分化的能力和稳定、高效分化成为肌肉组织的能力。2013年荷兰科学家Mark Post用细胞培养牛肉制成了第一个人造肉汉堡，标志着细胞培养肉的诞生。2021年日本科学家利用3D生物打印技术成功组装了含有肌肉、脂肪和血管的整块和牛肉。与传统养殖肉相比，培养肉系统可以将肉类的生产周期缩短到几周，并且占用的土地面积、消耗的水资源、温室气体的排放量、能源的消耗都大幅度降。
