化学在食品可持续发展中的作用：挑战与展望

化学在食品可持续发展中的作用：挑战与展望 第9届化学科学与社会高峰论坛(CS3)白皮书 日本·东京2023年9月 第9届化学科学与社会论坛 2023年9月19日至21日，日本东京 组织机构 化学学会/资助机构 中国 中国化学会(CCS) 国家自然科学基金委员会(NSFC) 德国 德国化学会(GDCh)德国研究基金会(DFG) 英国 英国皇家化学会(RSC) 英国工程与物理科学研究理事会(EPSRC) 美国 美国化学会(ACS) 日本 日本化学会(CSJ) 日本科学技术振兴机构(JST) 白皮书成文 撰写：RaderJensen,PhD； KazuhiroChiba,Professor,PhD 编辑：EmikoSakurada,CSJDeputyDirector；MitsuoSawamoto,Professor,PhD Copyright©2024 日本化学会(CSJ)、日本科学技术振兴机构(JST)及所有上述2023CS3组织和资助机构 目录 执行概要6 简介8 革命性食品工程中的化学9 食品加工10 土豆米10 全豆豆腐10 真菌发酵10 水产养殖10 可持续育种10 助力可持续食品生产的化学11 致力于食品可持续性的循环和可持续化学12 向更加循环的经济转型12 食物浪费与食品损失12 不可避免浪费食物的利用13 废弃物转化为能源14 包装材料14 土壤与土壤健康15 全局视野16 公众认知和总体趋势17 推荐与建议18 参考文献21 第9届CS3论坛 化学在食品可持续发展中的作用：挑战与展望 化学科学与社会高峰论坛（CS3）每两年举行一次，本论坛汇聚了来自世界各地的多位资深化学家，邀请他们提出可行方案来解决社会在健康、食品、能源和环境领域面临的最紧迫问题。需要强调的是，CS3顾名思义源于全球化学科学界，其天然使命是：确定什么是迫在眉睫的问题以及化学科学如何解决这些问题。与传统的国际会议不同，CS3的独特之处在于，来自每个成员国的与会者既代表主导该国的化学协会，也代表该国相关的基金资助机构。本项活动以极具建设性的形式进行，参与国轮流举办。每届CS3会议之后均会发布一份白皮书，总结会上讨论的议题，并向全球公众和政府提出可行和可实施的解决方案。 CS3是由中国化学会（CCS）、德国化学会（GDCh）、日本化学会（CSJ）、英国皇家化学会（RSC）和美国化学会（ACS）合作倡议发起的。研讨会得到了中国国家自然科学基金委员会(NSFC)、德国研究基金会（DFG）、日本科学技术振兴机构(JST)(之前由日本学术振兴会（JSPS）)和英国工程与物理科学研究理事会（EPSRC）的支持。 第九届CS3会议聚焦全球粮食问题，主题为“化学在食品可持续发展中的作用：挑战与展望，”，由CSJ和JST联合主办，东京农工大学校长KazuhiroChiba教授担任会议主席；JST提供资金支持，CSJ负责会务工作。 线下会议于2023年9月19日至21日在东京CSJ总部举行，会议主要探讨化学在实现粮食安全和可持续性方面的作用。各化学协会和机构的参会代表们共同参与讨论，确立和阐明化学在食品生产中的作用，并探讨化学科学如何为建立一个更安全、可持续的全球食品体系做出有意义的贡献。 2023年的CS3“化学在食品可持续发展中的作用：挑战与展望”旨在确立和提出包括化学学会和资助机构在内的化学界在应对可持续食品问题中的使命，粮食可持续性无疑是全球最重大、最紧迫和最具挑战性的问题之一，具有能源安全和气候变化等的同等重要性。人类可以在没有充足能源的情况下生存，但不能没有充足的食物；根据联合国教科文组织的数据，目前全球有8亿多人口仍处于饥饿的边缘。 聚焦化学科学和技术在食品可持续发展中的作用，第九届CS3由以下三个议题组成： 议题1：革命性食品工程中的化学 强壮和抗病的作物 工程改良的畜禽和水产品合成食品 议题2：助力可持续食品生产的化学 食品工厂与智慧农业新型食品加工 替代型新食品 议题3：致力于食品可持续性的循环和可持续化学 氮和磷的循环化学 致力于水可持续性的化学环境友好型农用化学品食品包装、监测和回收 一些国家已就化学在粮食可持续性方面的作用开展了广泛讨论，有些已启动研究和发展项目，深化对于上述议题的讨论。例如，美国化学会于2023年出版了一期特刊，题为“更多的食物，更少的化学品”[《Chemical&EngineeringNews》2023，101(15)（5月8日）]，主张开发和推广对环境影响较小的粮食生产技术，摆脱依赖化学杀虫剂和化肥的传统粮食生产方式。在日本，由内阁领导的名为“登月计划”的研发项目启动于2020年，其九个目标中的第五个即为“创建一个能够实现可持续全球粮食供应的食品工业”。该项目的技术基础主要涉及化学、化学品科学，旨在比如减少化学农药和化肥的使用，开发加工、保存、包装和运输方面的创新技术，以大幅减少粮食损失等。 正如本届CS3会议所强调的，我们必须再次认识到化学在解决粮食可持续性问题中的重要性：食品实质上是化学成分的聚合，所以我们有必要将食材看作是一种通过生物和生化过程生产得到的物质或材料，直到它被端上餐桌食用。在这些过程中，各种物质在土壤、河流、海洋、大气、生物圈中移动，并发生化学变化。从化学的角度全面理解这些过程以及可持续的食品生产将是引领下一个时代的不可避免的终极挑战。 本白皮书总结了峰会上的讨论和建议，希望不仅为化学科学界，而且为全球政府、产业界和公众提供具有说服力的论点。 上述描绘农业工人的壁画由卡尔·莫里斯于1942年绘制，现置于美国俄勒冈州尤金邮政局 执行概要 自有记录以来，粮食产量的增长是显著的。农业的扩张不仅是种植面积增加的结果，也是由于人们对于农业和技术发展，从车轮到人工智能，有了长足的理解。最早的进展源于宏观尺度的观察和实验，相对早期的技术成果有灌溉、轮作、使用粪肥和其他有机副产品作为土壤增肥剂以及选择性育种。在二十世纪，矿物质土壤改良剂、合成杀虫剂和除草剂以及农业机械被纳入农业实践中，并逐渐不可或缺。但这些进步并非没有经济、环境和社会代价：对石化能源的需求不断增长，生态破坏也变得越来越普遍；在许多重要的农业地区，灌溉依赖于地下蓄水层，而地下蓄水层正以不可维系的速度被开采，一旦枯竭，将无法恢复。气候变化正在造成难以预测的天气和季节变化，并影响淡水的供应和质量。 人口的增长推动了对更高农业产量的需求。在过去的一个世纪里，这一增长速度显著加快，自20世纪40年代以来，人口增长了4倍。人口增长和粮食需求这两个趋势有着密不可分的联系。 根据联合国的数据，2023年世界人口为80亿，预计到2050年，将增加约20%，到2100年将再增加10%。所以“如何养活不断增长的人口”成为一个时常被提及的问题。然而，可能更合理的问法是，“如果农业生产力没有提高，这种增长会持续吗”？人类人口增长的预期值取决于粮食的供应。虽说到目前为止，粮食产量在随着需求而增加，但也已接近极限，某些方面已达到甚至可能已超过地球系统的临界点。尽管粮食产量稳步增加，但饥饿、营养不良和粮食危机仍然顽固存在。在当下时代，饥饿和营养不良在很大程度上与粮食获取途径和分配不均有关；也就是说，这属于社会经济和地缘政治问题。然而，化学和技术可以在许多方面为改善粮食安全做出贡献，无论是通过前沿技术还是传统做法来应对挑战，从化学角度加深对粮食系统的了解可以为解决粮食安全问题提供重要的指导方针和选择。 食品体系相关的研究正在学术界、工业界和政府中广泛而持续的开展，学术和政策领域的范围很广，从专精的基础研究到宽泛的应用开发，可更有效地利用水、能源和其他资源并减少生态影响的新工艺和新食品正不断地被设计和开发出来。除了提高食品供应的稳定性和可持续性外，改善营养状况和提供符合消费者口味的新型食品也是当务之急。另一个有前景的研究领域是开发循环或再生而非线性生产系统，将副产品循环返回可被微生物（包括真菌）或其他生物转化的生产流程中。采用副产物作为生产原料已有长期深入的研究，相关工艺的开发和改进仍在持续。高度特异性的基因编辑提升了人们对化学生物学的理解，并进而为农业技术做出贡献。探索土壤和水中的微生物，研究它们的相互作用，并开发新的分析技术来探测这些复杂的自然系统，都是非常重要的研究领域。至关重要的是，系统思维正成为研究和开发的重要元素，并确保创新举措为 社会所接受和包容，为所有全球社群提供机会。 本次峰会提出了一些建议，旨在为所有人提供更营养的食品、更健康的饮食、新的互联供应链、粮食安全和粮食可持续性，以及减少粮食系统中的浪费。报告中高度强调，必须意识到粮食生产是动态、复杂、且不时脆弱的，本报告中提出的建议要点在周期性粮食系统中是相互关联的。土壤健康是维系农业的关键要素，应大力支持对土壤微生物组以及植物与其他土壤生物之间共生相互作用的持续研究。土壤中的生物和矿物过程在氮磷循环以及碳循环中发挥着重要作用，更好地了解这些过程与应对气候变化密切相关，土壤健康与人类健康之间同样有着密切的联系。人们迫切需要考虑由于食物损失和浪费造成的营养流失，应鼓励针对粮食损失问题进行研究，如改进保存方法和包装材料，并继续开发利用副产品和食物废弃物作为资源或商品的方法（例如见https://www.bbc.co.uk/news/business-67548961)。应大力支持对人类营养的深入了解以及改善营养状况的方法探索。畜牧业在营养和平价饮食中的角色和地位应从客观的系统层面考虑，充分考虑营养、牲畜饲养方式和地点，以及动物在粮食系统中发挥的多重作用。对其他非动物性食物来源和新兴食物来源进行客观、系统层面的分析也是必要的。公众对化学、技术和农业的看法不应被忽视，教育体系中充分沟通和扩展性系统思维至关重要。也许最重要的是，种植者、加工商和消费者必须参与对食品系统未来发展重点的审议。 简介 “地球提供的食物足以满足每个人的需求，但无法满足每个人的贪婪。” —MahatmaGandhi 民以食为天。我们在寒冷季节里也许需要保暖的衣服，生病时可能需要医疗护理，然而从受孕到死亡，我们的生活毫无疑问依赖于健康和营养食品的稳定供应。人类作为狩猎-采集者出现，并因此繁荣兴盛。然而，正是固定式农业的发展，才使得村庄、城镇、城市的形成成为可能，事实上，固定式农业开启了人类文明的起源。高效、可靠的食品生产、储存和加工促进了劳动分工，使文明得以蓬勃发展。随着对农业了解的加深，产出增加，人口也随之增长。继灌溉、轮作和选择性育种等实践之后，出现了机械化、工业化生产的肥料、化学农药、牲畜药物和疫苗。加工和保存方法的改进提高了保质期和安全性，改善了食品安全。这些综合发展使得人口已增加到80多亿，在过去80年中增加了4倍。 尽管人类农业稳步发展，粮食产量增加，但饥饿依然顽固地持续存在。根据联合国粮农组织的一份报告，2022年全球约9%的人口营养不良，与此同时，肥胖亦同样普遍。据报道， 2022年全球有6.91亿至7.83亿人面临饥饿问题，这种长期营养不足的状况预计将持续十年。 此外，2022年全球五岁以下儿童中估计有22.3%发育迟缓，6.8%消瘦，5.6%超重。据报道，负担能力是决定营养状况和粮食安全的关键因素。联合国2015年提出了“可持续发展目标” （SDGs），粮食安全对于实现其中的前三个目标（无贫困、零饥饿、健康和福祉）至关重要。《2023 可持续发展目标报告》揭示了饥饿问题的长期性。根据这份报告，预计2030年全球将有6亿多人面临饥饿，这主要是由于相对于收入的负担能力不足，估计全世界有三分之一人口经历中度至重度的粮食匮乏。此外，据透露，营养不良在全球范围将持续存在。 联合国《世界人口展望》提供的未来人口变化的预测趋势 从全球范围来看，目前的粮食安全很大程度上是一个分配问题，也就是说，主要是物流和经济问题。然而，环境制约因素日益明显。目前许多农业地区严重依赖地下蓄水层，这些蓄水层正在迅速枯竭，一旦耗尽将无法恢复。降水变得越来越难以预测，这导致作物产量的可预测性越