《食品科学》：西北农林科技大学刘学波教授等：面向可持续与营养健康的未来食品展望

全球食品体系正在经历深刻变革。一方面，耕地退化、淡水资源紧缺、温室气体过量排放及渔业资源衰退等资源环境问题持续累积，使可持续性面临严峻挑战。另一方面，不合理膳食结构引发的肥胖、糖尿病、高血压等慢性疾病患病率持续攀升，已严重威胁公众健康与社会可持续发展。在这一背景下，未来食品科学快速兴起，围绕原料创新、生产加工技术迭代与精准营养设计等方向形成多维协同的发展格局。未来食品的发展契合我国“大食物观”战略要求，聚焦全方位、多途径开发食物资源，推动食品工业从规模扩张向质量效益转型。近年来，新型食品原料的挖掘与应用打破了传统动植物原料的单一格局，以替代蛋白质、功能性碳水化合物、功能型脂质及食品功能因子为核心的新型原料体系，正在成为重塑全球食物供给结构的重要突破口；合成生物学、微纳米加工技术、增材制造和智能包装等前沿技术不断推动食品生产从传统加工模式向绿色制造、精准构筑与“按需合成”方向转型，同时为供应链绿色高效运转提供技术保障；营养基因组学、多组学分析、人工智能（AI）与可穿戴监测设备等跨学科技术的深度融合，使健康食品从人群普适化供给迈向基于遗传背景与代谢特征的精准化定制。

西北农林科技大学食品科学与工程学院的刘夫国、戴陈霖、刘学波*等人综述围绕未来食品的原料创新、加工技术迭代与精准营养设计等方面，系统梳理相关研究进展与发展趋势，以期为后续研究与应用探索提供参考。

1 未来食品的双重挑战：可持续性转型与营养健康升级

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农业资源约束加剧及营养健康问题突出等现实挑战，正驱动未来食品领域的科技革新和产业转型升级。“可持续发展”与“营养健康需求”是未来食品生产和制造必须回应的核心诉求，未来食品产业需以系统性革新构建兼具“生态友好”与“健康赋能”的新型发展模式。

1.1 可持续性转型

当前，传统食品生产体系的生态环境代价已愈发凸显，联合国粮食及农业组织（FAO）统计数据显示：全球约33%的土壤面临中度及重度退化，且富含有机质的表土流失，正持续削弱土壤的粮食和纤维作物生产能力。畜牧养殖全产业链的温室气体排放量占全球人为温室气体总排放量的14.5%，每生产1 kg牛肉的水资源消耗高达15 415 L，为全球主流植物蛋白生产平均耗水量的10～20 倍。渔业资源衰退形势同样严峻，全球海洋渔业资源中，可持续捕捞种群占比已从1974年的90%骤降至2021年的62.3%，过度捕捞种群占比则同步升至37.7%。面对资源约束趋紧的多重困境，构建多元化食物供给体系已成为未来食品可持续转型的核心路径，这一理念与我国“大食物观”战略高度契合。国务院办公厅印发的《国务院办公厅关于践行大食物观构建多元化食物供给体系的意见》明确提出，需突破传统“以粮为纲”的单一思维，全方位、多途径开发食物资源，重点挖掘陆地农业、海洋水产、微生物等领域的供给潜力。

1.2 营养健康升级

全球粮食安全格局已从“总量短缺”向“结构性失衡”转变，据《2025年世界粮食安全和营养状况》报告统计，当前全球仍有8.2%的人口面临饥饿威胁，预计至2030年，全球长期食物不足人口将达5.12亿，这与联合国可持续发展目标中“零饥饿”的愿景仍存在显著差距，实现该目标仍任重而道远。在全球营养改善进程中，虽已取得一定阶段性成效：5 岁以下儿童发育迟缓发生率从2012年的26.4%降至2024年的23.2%，但营养不均衡问题依然突出：15～49 岁妇女最低膳食多样性达标率仅为65%，2023年该人群贫血率仍高达30.7%，而VA、锌等微量营养素缺乏问题在发展中国家尤为严峻。同时，反观我国居民膳食结构现状，高油、高盐、高糖食物摄入过量的问题尚未得到根本改善，由此引发的膳食相关慢性病导致的死亡已成为居民首要死亡原因，其中18 岁及以上居民高血压患病率达31.6%，糖尿病患病率达12.4%。上述全球与我国的食品营养安全现状，正推动食品产业发展目标从传统“解决温饱”向“营养精准化、功能靶向化”高阶转型，未来食品的营养健康升级已成为保障全球公共卫生安全、破解营养结构性失衡的重要支撑。

综上，如图1所示，全球农业资源环境的刚性约束与居民膳食营养健康的升级需求，共同构成了当前食品产业转型发展必须破解的双重核心命题，也为食品原料体系革新、加工技术迭代与精准营养设计升级指明了核心方向。

2 开发新型原料：未来食品原料的多元化突破

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在全球人口持续增长、农业资源环境约束趋紧及国民健康需求升级的三重驱动下，传统食品原料体系在资源利用效率、环境碳足迹及健康功能适配性等方面的短板日益凸显。基于此，以微生物发酵蛋白等替代蛋白、植源性多糖等功能性碳水化合物等为核心代表的多元化未来食品原料应运而生。这类原料契合“大食物观”战略要求，通过农业废弃物利用、非耕地开发等途径拓展食品资源边界，兼具“资源高效、低碳友好”的可持续性与“营养均衡、功能明确”的健康价值，成为食品产业资源与健康需求双重约束的核心突破口。

2.1 替代蛋白质

在传统动物蛋白生产面临资源消耗大、碳足迹高的现实约束下，替代蛋白质成为破解供给困境、契合“大食物观”的有效方案。这类蛋白质以资源高效利用、低碳环保为核心特征，同时兼具均衡的营养组成与明确的健康功能，主要涵盖昆虫蛋白、植物蛋白、微生物发酵蛋白及蓝色食物蛋白等多元类型，通过拓展食物资源边界，为食品工业提供可持续、营养均衡的蛋白供给方案。

2.1.1 昆虫蛋白

昆虫作为动物界物种多样性最高的类群，目前已被科学描述的物种超100万 种，分类学研究推测全球仍有数百万种昆虫未被系统描述。其中已被证实可安全食用的昆虫约2 000 种，且该数量随研究深入持续增长。昆虫蛋白凭借独特的生态价值与营养特性，已成为食品工业中备受关注的替代蛋白质来源。在生态可持续性方面，昆虫养殖较传统畜牧业在温室气体减排、水土资源节约方面具备显著优势。在营养特性方面，昆虫蛋白的优势尤为突出，其粗蛋白质含量普遍占干质量的40%～80%，其中家蟋蟀的蛋白质含量可达约42～75 g/100 g，显著高于多数传统植物蛋白来源。同时，昆虫蛋白氨基酸组成均衡，富含赖氨酸、色氨酸等必需氨基酸，且消化率与生物利用率较高，具备作为优质蛋白来源的核心条件。

2.1.2 植物蛋白

（1） 豆类蛋白（非大豆类）

以豌豆、鹰嘴豆、扁豆为代表的豆类蛋白，因能有效规避大豆蛋白的“转基因争议”与致敏性问题，是当前植物基替代蛋白产业化的核心方向。环境可持续性方面，豆类根系的生物固氮作用可显著降低对合成氮肥的依赖，减少农业面源污染与碳排放。同时，豌豆蛋白、扁豆蛋白等植物蛋白生产的水资源消耗量、土地占用量显著低于乳清蛋白及牛肉蛋白，全生命周期碳足迹显著低于动物源蛋白。营养属性上，此类蛋白氨基酸组成谱均衡，尽管豌豆蛋白等含硫氨基酸含量较低，但富含谷物缺乏的赖氨酸，可与谷物形成良好的营养互补。同时，这类植物蛋白也是膳食纤维、抗性淀粉及钾、镁、铁等矿物质的天然优质载体。此外，现代加工技术进一步拓展了其应用潜力，如鹰嘴豆分离蛋白经酸热诱导纤维化后，形成富含β-折叠结构的纳米纤维，起泡性与乳化稳定性显著提升，可作为生物活性物质的递送载体。

（2） 坚果与籽类蛋白

坚果与奇亚籽、亚麻籽、南瓜籽等籽类来源的蛋白，以高营养密度为核心特征，且应用形式灵活（整粒、碎粒、分离蛋白粉等），可便捷添加至沙拉、酸奶等各类食品体系，同步实现营养强化与质构改良。可持续性方面，奇亚籽、亚麻籽等作物对贫瘠土地与干旱环境适应性强，无需占用优质耕地，有利于维护农业生态多样性。健康属性上，其突出优势为多营养素的协同增效作用：例如奇亚籽蛋白质量分数达15%～25%，可与自身富含的可溶性膳食纤维、α-亚麻酸形成稳定的复合功能体系。研究证实面条中添加15%奇亚籽粉可使抗性淀粉相对含量升至39.05%，体外血糖生成指数（GI）降至60.34以下，具有显著的餐后血糖调控潜力。此外，亚麻籽蛋白与伴生亚麻籽胶可形成稳定的乳液凝胶，既能模拟动物脂肪的口感与质构，又可通过包埋油脂延缓消化酶作用，为低脂、低热量食品开发提供了新配方。

2.1.3 微生物发酵蛋白

微生物发酵蛋白通常以酵母、丝状真菌及部分细菌为细胞工厂，依托其快速生长、代谢活跃的特性，可高效利用多种底物实现菌体蛋白的规模化合成。近年来，合成生物学与精密发酵技术的融合创新，推动该领域实现了从菌种构建、发酵工艺优化到终端产品开发的全链条技术突破。环境可持续性是其核心竞争优势，主要体现在两大维度：1）农业副产物循环利用：微生物发酵可利用工农业副产物为低成本发酵底物，实现“变废为宝”。例如，从印尼地区常见的发酵豆渣食品中发掘的间型脉孢菌（Neurospora intermedia）能够在多种农业废弃物中定植，其制备的发酵食品具有较高的消费者接受度。2）低碳排放特性：真菌蛋白生产的土地需求仅为传统牛肉养殖的1/12，温室气体排放量仅为牛肉蛋白的14%，生态效益显著。在健康属性方面，微生物发酵蛋白的综合品质优于传统植物蛋白，已实现商品化生产的Fusarium venenatum菌体干基蛋白质量分数达40%～45%，氨基酸评分优异，可有效补充谷物膳食中的赖氨酸缺口。同时，其菌体细胞壁富含β-葡聚糖等膳食纤维，具有调节血脂、延缓餐后血糖上升等生理功能。

2.1.4 蓝色食物蛋白

蓝色食物蛋白是水生动物、藻类及其他水生生物来源的一类重要蛋白质资源，在全球食品体系可持续转型的进程中，其战略供给价值日益凸显。生态可持续性方面，蓝色食物蛋白生产系统的全生命周期碳足迹与资源消耗显著低于陆地动物源蛋白。同时，多数藻类养殖无需占用耕地和淡水资源，还可通过富集水体氮磷修复富营养化；贝类等滤食性生物无需额外投喂，生态友好性突出。但该领域仍面临可持续发展挑战：部分水产养殖依赖野生鱼类或作物饲料，高密度养殖可能引发动物福利问题、局部水体污染及水生生态系统扰动。因此，蓝色食物蛋白的可持续发展需立足全价值链管控，将饲料溯源、生产系统优化及副产物高值化利用等环节纳入综合管理框架。此外，在健康属性层面，蓝色食物蛋白来源广泛，营养特征丰富，普遍具有高蛋白含量、均衡的必需氨基酸组成，同时富含长链多不饱和脂肪酸（PUFAs）、维生素及矿物质。例如，部分红藻干质量蛋白质量分数超10%，还含有钾、镁等矿物质及具有益生元潜力的膳食纤维。此外，藻蓝蛋白等功能性成分已被证实具有抗炎、抗氧化及免疫调节活性，而鱼类及水产加工副产物中的胶原蛋白、活性肽等高价值成分，进一步拓展了蓝色食物蛋白在功能性食品、特医食品领域的应用空间。

2.2 功能性碳水化合物

功能性碳水化合物作为传统供能型碳水化合物的重要互补体系，是未来食品原料创新的核心方向之一。这类碳水化合物以非耕地适配型植物、农业加工副产物、食用真菌等低碳资源为开发载体，聚焦肠道微生态调控、代谢稳态维持、免疫功能调节等明确生理活性，与传统碳水化合物形成“供能-功能”双维度协同格局（表1）。

2.2.1 植源性多糖

植源性多糖是从植物根、茎、叶、果实、种子等原生组织，及谷物加工副产物中提取的天然大分子多糖类物质，涵盖谷物多糖、果蔬多糖、药用植物多糖及农业副产物多糖等多元类型。作为功能性碳水化合物的核心载体，植源性多糖兼具突出的环境可持续性与明确的健康促进功能，已成为功能性食品领域的研究热点与核心配料来源。在资源可持续性方面，植源性多糖的开发契合低碳理念：菊芋、辣木等原料作物可在盐碱地、荒地等非耕地规模化种植，对化肥、农药依赖度极低，不与主粮争夺优质耕地；小麦麸皮、水稻米糠等大宗农业副产物可通过多糖提取实现高值化利用。在健康属性上，植源性多糖凭借其独特的糖苷键结构与分子构象，展现出卓越的消化代谢调控与肠道微生态改善功能。例如，低聚果糖、魔芋葡甘聚糖等水溶性多糖作为天然益生元，无法被人体消化酶降解，可完整抵达结肠并定向增殖有益菌群，其发酵代谢产生的短链脂肪酸作为关键效应因子，能够进一步巩固肠道稳态、调控机体免疫与代谢稳态。同时，如枸杞多糖、辣木叶多糖等多种植源性多糖可通过激活免疫细胞活性、清除过量自由基，发挥优异的抗氧化与免疫增强功能。近年来的研究证实，植源性多糖还可通过增强胰岛素敏感性、抑制肠道糖吸收，调控腺苷酸活化蛋白激酶、过氧化物酶体增殖物激活受体、胰高血糖素样肽-1等关键信号通路，实现对机体糖脂代谢的协同调控。未来，需重点阐明植源性多糖“结构-功能”关联的分子机制，突破绿色高效提取、精准结构修饰等技术瓶颈，进一步推动其在功能性食品、特医食品中的规模化应用。

2.2.2 食用菌多糖

食用菌多糖是从食用真菌子实体、菌丝体或发酵培养液中提取的生物活性大分子。其可持续性优势体现在资源循环利用与环境低负荷的全产业链特征：食用菌栽培以木屑、秸秆等大宗农业副产物为主要培养基，通过真菌的生物转化作用，将难以被人体利用的纤维素、半纤维素等大分子，转化为高附加值的活性多糖。上述栽培与转化过程无需化肥、农药等化学投入，栽培副产物（菌渣）还可作为有机肥回田，形成“农业废弃物-高价值副产物-菌渣有机肥”的可持续循环。此外，灵芝、香菇等真菌可在林下套种，实现林下经济与土地复合利用的协同增效。有趣的是，不同来源、不同结构的食用菌多糖具有多元化的健康功效：灵芝多糖可通过激活法尼醇X受体/G蛋白偶联胆汁酸受体1胆汁酸信号通路显著改善脂代谢紊乱；香菇β-葡聚糖可增强自然杀伤细胞活性实现免疫调节；而银耳多糖则通过提升紧密连接蛋白表达修复肠道屏障功能。未来通过高产菌株定向选育、绿色高效提取纯化等技术，可进一步挖掘食用菌多糖的应用潜力，推动其在功能性食品领域的广泛应用，助力食品工业可持续发展与国民健康水平提升。

2.3 功能型脂质

面对传统脂质生产存在的资源依赖度高、全生命周期碳足迹偏高及健康功能单一等现实挑战，功能型脂质通过海洋副产物高值化利用、微生物发酵合成、非耕地油料作物培育等多路径实现绿色供给，且富集DHA与EPA等功能性脂肪酸，兼具优越的生态可持续价值与健康调控效能。

2.3.1 鱼油

鱼油是膳食长链PUFAs的重要脂质来源，也是衔接海洋蓝色食物资源开发与国民膳食健康提升的关键载体。在可持续性层面，鱼油的生产供给模式正从“传统捕捞依赖”向“生态友好型开发”转型。当前，依托水产加工全产业链，将鱼类加工中产生的鱼头、鱼内脏等废弃物转化为鱼油原料，可实现海洋资源的全量利用。在健康属性层面，鱼油脂质凭借独特的脂肪酸组成，为人体代谢与生理功能提供多重保护。其核心活性成分DHA与EPA是人体无法自主合成的必需长链PUFAs，具有心血管保护、神经与视觉发育、抗炎与免疫调节等明确健康功效。此外，鱼油中的磷脂型PUFAs具有更高的生物利用度，更易被肠道吸收且可靶向作用于细胞膜，在特医食品、婴幼儿配方食品中具有广阔的应用前景。

2.3.2 微生物源脂质

（1） 微藻脂质

微藻脂质是从单细胞微藻中提取的一类油脂总称，作为微藻细胞的关键组成成分，其在环境可持续和营养健康领域均展现出显著应用价值。在可持续性方面，微藻培养无需占用优质耕地，依托海水、盐碱水及工业废水等非传统水资源在光生物反应池中即可规模化培育，大幅降低传统油料作物对淡水与优质土地资源的依赖。同时，微藻具有生长周期短、生物量积累速率快的特点，单位面积脂质产率远超大豆、油棕等传统油料作物，且其生长过程中可高效固定二氧化碳、富集水体氮磷等污染物，兼具碳减排与水质净化双重功能。在健康属性方面，微藻脂质是DHA、EPA等PUFAs的优质天然来源。这类PUFAs兼具强效抗氧化活性与免疫调节活性，不仅能清除活性氧减少氧化应激损伤，还能通过调控免疫细胞功能调节免疫反应，同时通过维持血管内皮完整性、改善血管弹性预防高血压，为机体构建多重健康防护。值得关注的是，杜氏盐藻、雨生红球藻等特定藻种，在脂质积累过程中可同步合成类胡萝卜素等天然抗氧化物质，与PUFAs发挥协同增效作用，进一步强化其健康保护效能。

（2） 酵母与真菌脂质

酵母与真菌脂质是以酵母菌、丝状真菌等微生物为合成载体的新型脂质资源，凭借微生物增殖速度快、底物利用广、代谢调控灵活的特性，已成为功能型油脂定向合成的重要技术路径。这类脂质的核心优势体现在资源可持续性与功能靶向性两大维度，1）在资源可持续性：一方面，产脂微生物可利用农业废弃物、工业副产物等低成本底物发酵产脂，发酵过程占地少、水耗低，全生命周期碳排放较传统油料作物降低30%以上，契合绿色低碳发展理念。另一方面，可通过代谢工程与合成生物学技术优化菌株代谢路径，实现高纯度功能型脂质的定向合成，例如通过基因编辑技术改造解脂耶氏酵母（Yarrowia lipolytica），显著提高其定向产脂能力。2）功能靶向性：在健康功能层面，真菌脂质展现出多元应用潜力，红酵母（Rhodosporidium toruloides）可合成高附加值微生物油脂，包括甘油三酯、磷脂、甾醇酯、脂肪酸多元醇酯以及兼具抗氧化、免疫增强活性的类胡萝卜素。此外，高山被孢霉（Mortierella alpina）合成的花生四烯酸是婴幼儿配方食品中重要的功能型脂质补充剂。

2.3.3 新型油料作物脂质

以油茶、奇亚籽、火麻仁、亚麻及改良型油菜等为代表的新型油料作物脂质，凭借“抗逆性强、资源利用高效、功能成分富集”的核心特征，已成为推动我国油脂产业绿色转型的重要支撑。这些作物普遍具备优异的环境适应性，可在山地、丘陵等非耕地规模化种植。此外，这类作物在合理栽培管理条件下对化肥、农药及灌溉等化学与资源性投入的依赖度相对较低，例如亚麻、奇亚籽等耐逆品种可大幅减少灌溉与化肥需求，油菜等作物通过合理轮作可有效改善土壤肥力，并降低外源投入依赖，部分品种可利用农业废弃物作为辅助培育基质，完全契合农业资源循环利用的发展理念。在脂质组成与健康价值上，油茶籽油不饱和脂肪酸质量分数超90%；改良型油菜通过定向育种可使油酸质量分数提升至85%左右；亚麻籽与奇亚籽富含ω-3亚麻酸，其中每100 g亚麻籽亚麻酸含量可达22.8 g。此外，这些功能性脂肪酸与油脂中伴生的生育酚、黄酮、植物甾醇等活性成分协同作用，具有调节血脂、改善代谢等多元健康效应。

2.4 食品功能因子

食品功能因子是从天然食材、功能性原料中分离提取，或经生物合成、加工改性得到的一类具有明确生理活性的功能性成分，涵盖维生素类、多酚类、多糖类、活性肽、功能性脂肪酸及益生菌等多元类别（表1）。在肥胖、糖尿病、心血管疾病等膳食相关慢性疾病高发的背景下，这类成分凭借调节机体代谢、增强免疫功能、预防慢性疾病等健康功效，已成为未来新型食品原料的核心组成与创新导向。

不同类型的食品功能因子在人体健康调控中呈现出多样化作用模式，其健康效应既源于各组分自身独特的生理功能，也常通过多途径协同发挥作用（图2）。多酚类物质（如茶多酚、花青素）凭借酚羟基结构发挥强效抗氧化、抗炎作用，可清除体内过量自由基、抑制脂质过氧化，保护心血管并延缓细胞衰老。如2.2节所述，多糖类功能因子兼具益生元效应与糖脂代谢调控功能。此外，源自动植物蛋白的活性肽（如乳清蛋白肽、鱼皮胶原肽）因相对分子质量小易被肠道吸收，生物利用度高，具有降血压、促进肌肉修复、增强免疫力等生理功能。功能性脂肪酸（如ω-3 PUFAs）以及氨基酸类功能成分（γ-氨基丁酸（GABA））等在神经功能调节、情绪与睡眠改善等方面展现出明确功效。基于上述多元功能特性，食品功能因子已成为营养强化食品、功能性食品研发的核心原料，其应用正朝着精准化、个性化、多场景化方向深度推进。例如，在食用油及膳食补充剂中强化EPA与DHA，可通过调控脂质代谢降低血液甘油三酯水平，同时改善心肌收缩功能；在老年保健食品中复合添加VD、胶原蛋白肽与益生菌，能够协同改善骨骼健康、肌肉衰减与肠道功能衰退问题；在运动营养食品中复配活性肽与支链氨基酸，可实现快速补能与运动后肌肉修复；在助眠类产品中协同配比GABA与茶氨酸，能够精准调节神经递质水平，改善睡眠质量。食品功能因子作为未来新型食品原料的核心创新点，其深度开发与产业化应用将持续推动食品工业向“营养化、功能化、个性化”方向转型。

值得关注的是，食品功能因子普遍存在稳定性差、生物利用度偏低的关键问题，且传统递送系统难以实现肠道靶向释放与高效吸收，健康功效显著降低。同时，原料供给高度依赖天然资源致使成本居高不下，工艺复杂与得率偏低的矛盾进一步限制了其规模化推广。此外，多功能因子协同作用的构效关系与分子机制尚未阐明，制约了其精准化应用。未来，需以多学科交叉融合为核心破解上述瓶颈：1）结合材料科学与生物医学技术，构建智能响应型递送系统，开发兼具生物降解特性、多级响应、靶向识别的递送系统，提升功能因子稳定性与肠道靶向释放效率。2）升级绿色提取与精准纯化技术，开发基于膜分离、分子印迹等技术的微量杂质去除工艺，实现功能因子高纯度、低损耗、规模化制备。3）依托AI与大数据技术，建立功能因子构效关系预测模型、个性化营养需求匹配算法等，实现多因子协同增效与精准调控。通过上述创新路径，推动食品功能因子向精准营养、绿色智造、高效规模化方向发展，为健康食品产业高质量发展提供核心技术支撑。

3 革新加工范式：可持续与营养健康导向的未来食品生产加工技术

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新型食品原料的多元化突破，为食品供给体系赋予了资源高效利用、营养多元供给的新内核。同时，新型食品原料对“绿色低碳、精准调控、功能保留”的加工要求，也倒逼传统食品加工模式从“规模化、标准化”向“精准化、功能化”转型。如图3所示，合成生物学、微纳米加工、增材制造及绿色智能包装等一系列革新技术加速涌现，通过生物合成、微观调控、精准定制与全链条管控等创新路径，在实现食品生产资源循环利用、环境负荷显著降低的同时，更推动食品生产从“基础能量供给”向“功能强化、个性适配”的价值跃升。

3.1 合成生物学

合成生物学是一门以工程学思想为指导，融合生物学、基因组学、工程学和信息学等多学科理论与技术，对生物体或生物系统进行定向设计、精准改造或从头创建的新兴学科。合成生物学可通过设计微生物细胞工厂，实现高价值蛋白质、天然产物、食品功能因子的定向高效合成。作为食品工业绿色转型的核心技术之一，合成生物学凭借生产过程可持续、目标成分可定制、转化效率高、环境影响小等核心优势，已成为驱动农业与食品工业可持续高质量发展的核心引擎。

3.1.1 细胞工厂

细胞工厂作为合成生物学的核心应用范式，通过基因编辑、代谢工程等技术对微生物及动植物细胞进行定向遗传改造，使其成为可高效合成食品原料、功能成分及终端产品的“微型生产车间”。细胞工厂的工程化构建可系统归纳为3 类核心策略及其组合：一是优化天然宿主内源代谢途径，提升目标产物的合成效率；二是通过重构异源生物合成途径，实现非天然代谢产物的从头合成；三是实现异源蛋白的高效表达与正确折叠。在食品功能因子合成领域，低热量甜味剂塔格糖的合成是典型应用案例。塔格糖的甜度为蔗糖的92%，热量仅为蔗糖的30%，是极具产业化潜力的新型甜味剂。研究者通过改造酿酒酵母，构建塔格糖合成通路并敲除内源竞争代谢支路的关键基因，构建了高效合成塔格糖的细胞工厂，为低热量甜味剂的规模化、绿色化生产提供技术路径。在维生素合成领域，相关研究以酿酒酵母为底盘细胞，通过异源表达光合基因并耦合内源代谢途径，实现了320 mg/L生育三烯酚的高密度发酵，为脂溶性维生素的绿色合成提供了技术支撑。尽管合成生物学在食品功能成分定制化合成等领域展现出巨大应用潜力，但其产业化进程仍面临核心技术成熟度不足、食品安全监管体系不完善及消费者接受度偏低等瓶颈。

3.1.2 细胞农业

细胞农业作为细胞工厂在农业领域的细分应用，是在无完整动植物参与的受控环境中，以合成生物学改造的细胞工厂为核心，定向生产农产品及食品原料的前沿技术体系。该技术完全摆脱了传统种养模式的资源约束，可大幅降低耕地、淡水等农业资源的占用，既能精准满足人类饮食需求，又兼具显著的环境效益与社会价值，目前已在细胞培养肉、重组乳制品等领域实现关键技术突破与产品原型开发。

细胞培养肉作为细胞农业在动物源食品领域的核心应用，是依托干细胞技术、组织工程与合成生物学交叉融合发展的新型可持续动物蛋白来源。其生产过程无需完整动物养殖，通过体外精准调控细胞增殖与分化，实现肌肉组织的定向培育，为解决传统畜牧业的资源约束、动物伦理争议及食品安全隐患问题提供了颠覆性思路。细胞培养肉的标准化生产流程可系统划分为以下四大核心环节：1）种子细胞系的分离与构建：首先从目标动物（鸡、牛、猪、鱼等）的肌肉组织中分离肌卫星细胞或间充质干细胞等原代细胞，通过酶解、梯度离心等技术实现细胞纯化。随后借助合成生物学工具（如CRISPR-Cas9基因编辑、端粒酶逆转录酶导入）进行永生化改造，筛选兼具高增殖活性、分化稳定性及生物安全性的种子细胞系，为后续规模化生产奠定基础。目前已建立多物种种子细胞库，其中哺乳动物肌卫星细胞因分化效率高成为主流选择，鱼类干细胞则在低温适应性培养中展现独特优势。2）细胞规模化增殖培养：将筛选后的种子细胞接种至无血清培养基中，利用规模化生物反应器实现细胞的高密度增殖。其次，通过精准调控培养环境参数（溶解氧、pH值、温度、剪切力等）模拟体内肌肉生长微环境，同时优化培养基营养组分（如重组生长因子、植物蛋白水解物、必需氨基酸等），在降低生产成本的同时保障细胞增殖效率与活性。3）细胞定向分化与组织成型：将增殖后的细胞收集并接种至可食用支架材料中，通过调控培养基中分化诱导因子及力学刺激，诱导细胞向肌纤维细胞定向分化。其中，支架材料通过静电纺丝、3D打印等技术构建的三维多孔结构，可为细胞提供黏附位点与机械支撑，促进肌纤维的有序排列与类肌肉组织形成。4）食品化加工与感官特性优化：对成型的类肌肉组织进行食品化处理，通过代谢调控、风味强化、质构改良等技术，赋予产品与传统畜禽肉类相近的色泽、风味、多汁性及咀嚼性。此外，还可以进一步通过营养强化技术，如添加ω-3脂肪酸、VD等功能因子，实现产品的营养功能升级。

目前，基于上述标准化流程已成功开发鸡、牛、猪、鱼等多物种细胞培养肉产品，部分产品已进入商业化试点阶段。但细胞培养肉的产业化仍存在核心技术瓶颈，如种子细胞长期传代后的分化稳定性不足、无血清培养基成本居高不下、三维肌肉组织成型的规模化效率偏低等。未来需通过合成生物学的技术迭代、AI驱动的工艺优化等方式进一步突破。

3.2 微纳米加工技术

微纳米加工技术是食品科学与材料科学交叉融合形成的前沿技术体系，通过在微纳米尺度下对食品组分进行结构调控与功能修饰，精准改变组分的粒径、尺寸分布及表面电荷等特征，实现食品理化特性（风味、质地）与营养健康功能的定向优化。该技术在延长食品保质期、防控微生物污染、提升产品品质及功能因子生物利用度等方面展现出显著优势。目前已形成两大关键核心技术分支：基于粒径细化的纳米微化技术，以及基于递送载体构建的微纳包埋技术。

3.2.1 纳米微化

纳米微化技术凭借碰撞、剪切、空化等机械效应，将食品组分粒径细化至纳米尺度，依托纳米颗粒的高比表面积特性，显著提升食品组分的溶解性、分散稳定性与生物可及性，目前已发展出传统、进阶、新型3 类技术体系，可适配不同食品体系的加工需求（表2）。 以高压均质、超声均质为代表的传统技术应用广泛，其中高压均质通过100～400 MPa高压产生强剪切、高速撞击及湍流效应实现颗粒分散，不仅能提升肉桂精油等疏水性活性成分的稳定性，还可优化肌原纤维蛋白、亚麻籽胶等大分子的功能特性，同时减少热敏性营养成分的损失。超声均质则依托高频声波（＞16 kHz）的空化与剪切效应实现纳米级细化，处理条件温和，可最大限度保护热敏性及易氧化成分，显著优化产品的稳定性与感官品质。动态超高压均质（DHPH）作为进阶技术，通过优化压力传导机制实现颗粒尺寸精细调控，DHPH处理可以促进大豆分离蛋白与魔芋葡甘聚糖形成稳定复合物，显著提升高内相乳液性能。高压微射流技术作为新型纳米微化技术，将物料加压后通过 直径＜100 μm微通道产生高速射流（＞100 m/s），实现超精细粒径调控与窄分布，已应用于乳制品、植物基饮料等高附加值产品生产，但其设备成本较高，规模化应用受到限制。

3.2.2 微纳包埋

微纳包埋技术借助物质间界面效应与表面张力各向异性，在分子水平对食品功能因子进行表面膜包埋，通过构建纳米颗粒、脂质体、纳米纤维等微观载体，能够实现功能因子的高效保护、响应性控释与靶向递送。喷雾干燥与同轴静电纺丝是该领域两类代表性技术，在功能性食品开发中应用前景广阔。

喷雾干燥技术作为食品工业常用包埋手段，通过雾化器将包埋壁材与芯材的混合液分散为微小液滴，经热空气快速干燥后获得微粉，具有操作简便、成本低、易规模化的优势，可通过调控进风温度、雾化压力等参数精准控制微胶囊粒径、形态及包埋效率。传统喷雾干燥在纳米级颗粒制备上存在局限，而纳米喷雾干燥可制备粒径均一、高细胞渗透率、高储存稳定性的纳米微胶囊，已成功应用于肉桂醛、VB12等功能因子的稳态递送，成为提升生物活性成分利用度的新方向。通过喷雾干燥可构建单芯型、多壁型等多元结构微胶囊，其中多壁型凭借层级化屏障优势表现突出，以大豆蛋白-纤维素纳米晶体为壁材制备的鱼油微胶囊，实现了不良风味掩盖、脂质氧化抑制与微生物生长防控的多重效果；同时，基于层级结构设计的多层微胶囊可实现芯材的分层包裹与长效缓释，相关研究证实多层微胶囊能够实现6-姜酚在结直肠部位的时滞性控释，显著提升其抗炎功效。

静电纺丝技术可实现纳米纤维的精准设计，其中同轴静电纺丝（CE）通过同心双喷嘴形成双射流，克服了单轴静电纺丝在功能因子控释与结构调控上的缺陷，具有包封率高、工艺可控的优势。CE可制备核壳、多层、多核等多元结构纳米纤维：核壳结构中壳层作为保护屏障，能维持芯层功能因子的结构完整性与功能活性，如鱼明胶基核壳纤维可实现脂质体的稳定包埋与快速释放，乙基纤维素涂层核壳纤维则能显著提升益生菌在模拟胃肠液中的存活率。多核结构可同时包埋多种功能成分，实现多组分的协同递送与联合增效，如共载多酚与益生菌的核壳纤维能强化其在功能性食品中的健康功效。

微纳米加工技术作为食品工业前沿交叉技术体系，通过纳米微化的粒径细化效应改善食品组分溶解性与稳定性，借助纳米包埋构建的核壳、多层等多元载体结构实现功能因子靶向递送与长效缓释，有效解决了功能因子易降解、生物利用度低等行业痛点，在食品品质优化、高附加值健康食品开发中作用突出。然而，该技术的产业化推广仍面临新型设备成本高、规模化生产中结构均一性控制难及载体材料生物安全性评价体系不健全等瓶颈。未来需聚焦精准化、绿色化、规模化发展，优化微纳米加工工艺与配套设备以降低成本，优选天然可食用基材并建立完善的安全评价体系，进一步拓展其在精准营养与个性化食品中的应用，为食品产业转型升级提供核心支撑。

3.3 增材制造

增材制造技术（以3D、4D打印为核心）是数字化技术与食品加工深度融合的前沿制造技术，通过数字化模型驱动，逐层累加食品原料构建三维结构，实现个性化与定制化生产，推动传统食品制造向精准设计、按需制造转型。3D食品打印以挤出打印、选择性激光烧结、喷墨打印为主要方式，依托数字建模与逐层沉积技术定制适配不同需求的食品，其工艺通常涵盖打印、制备与回收3 个核心阶段。4D打印则是在3D打印基础上，通过复合对热、湿度等外部环境刺激响应的食品材料，使产品随时间或环境变化实现形状、风味、营养等动态调控，其技术核心包含打印工具、刺激源、响应型材料及作用机制四大要素。

3D打印可依据消费者年龄、健康状况等精准调控食品的营养配比与感官特性，实现“一人一方”的个性化食品定制：针对儿童，将谷物、果蔬等原料打印为卡通造型并强化钙、维生素等关键营养素，提升儿童饮食接受度，有效解决挑食问题；面向老年及吞咽障碍人群，制备质地柔软的牛肉酱、酶解鱼糜及猪腿复制品等易吞咽质构改良制品，解决其营养不良与吞咽安全 问题；为糖尿病患者开发含菠菜羽衣甘蓝粉的低GI饼干，通过强化膳食纤维实现血糖稳态调控；对术后康复及癌症患者，可定制高蛋白、易吸收的增稠型膳食，兼顾营养补充与适口性。除人群定制化优势外，3D打印凭借精准调控能力，还能实现功能性食品从成分优化到场景适配的突破。在营养重构领域，以不饱和脂肪酸为核心的油凝胶经打印构建凝胶乳液体系，可替代饱和脂肪并优化产品质构。在替代蛋白领域，3D打印与固态发酵结合，以大豆蛋白、少孢根霉菌丝体构建类肌肉纤维结构，制备出质地匹配鸡胸肉的植物基肉制品。在特殊场景中，为航天任务开发的粉末状耐储存食品组件，可基于宇航员营养需求与口味偏好定制膳食配方，有效解决传统航天食品种类单一的问题。

4D打印技术通过智能响应材料的动态特性可显著提升食品的食用体验与营养利用效率。利用花青素的 pH值敏感性，可使打印面食在烹饪中呈现颜色变化，增强饮食趣味性。此外，通过设计南瓜/纸张双层复合材料，可实现打印产品在风干过程中的定向变形，为4D食品的结构设计提供技术范式。综上，增材制造技术已覆盖工业规模化量产、航天特供食品、特殊人群膳食保障等多领域，但4D打印仍受限于响应型材料匮乏与成本较高等问题。未来随着技术持续迭代与打印材料的不断丰富，有望开发出随人体代谢状态动态精准释放营养的智能食品，推动食品从“静态供给”向“动态适配”跨越，为精准营养领域带来革命性突破。

3.4 绿色高效食品包装技术

食品包装是食品供应链的核心组成部分，其技术发展始终与社会进步、材料革新及消费者需求升级紧密相连。发展初期，食品包装的核心价值仅为物理阻隔保护，避免食品受外界环境影响，延长货架期以减少浪费。而随着全球人口增长带来的食品需求扩大、资源约束加剧及生态环境问题凸显，传统单一功能的食品包装已难以满足食品产业绿色转型的多元诉求，未来食品包装正朝着可持续化与多功能化两大核心方向深度发展，形成“环保为基、功能为核”的发展格局。

3.4.1 可降解包装

可降解包装以生物基材料为核心载体，通过多技术协同改性实现性能升级与环境适配，是解决传统石油基包装白色污染问题的核心方案。其核心基材体系涵盖三大类：淀粉、纤维素、植物蛋白等天然高分子材料，聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）等合成生物聚合物，以及食用菌渣、秸秆纤维等农业副产物衍生材料，可实现食品包装全生命周期的低碳环保。

针对单一基材在阻隔性、力学性能或功能适配性上的短板，多元改性技术成为可降解包装性能强化的核心手段。纳米复合技术通过精准调控微观组分的分散形态与界面作用实现功能突破，例如以ZnO纳米颗粒为稳定剂构建牛至精油Pickering乳液，并将其与纤维素纳米纤维基材复合制备功能性包装膜，该复合膜展现出优异的综合性能：对单核细胞增生李斯特菌的抑菌率接近90%，可有效抑制微生物滋生，且实现机械性能与阻隔性能的同步优化，有望应用于火腿和果汁等食品包装。此外，物理共混技术则通过组分间的协同作用实现多功能提升，将姜黄素复合到PLA/纤维素纳米晶体生物复合膜中，能够显著提升复合膜的抗氧化、抗菌及紫外阻隔性能。同时纤维素纳米晶体可加速姜黄素迁移，进而抑制食品腐败、延长货架期。

3.4.2 智能包装

食品智能包装的核心内涵是借助化学、生物或物理传感机制，将食品品质变化、储运环境参数等关键信息转化为可识别信号，突破了传统包装“被动防护”的局限，构建“实时监测-动态反馈-全链溯源”的主动管控体系，已成为保障食品安全、减少供应链损耗、提升消费者信任的核心技术支撑。

依据功能实现路径与技术特性，食品智能包装通过模块化集成形成鲜度指示、温湿度监测、溯源防欺诈及功能整合4 类核心技术方案，各方案依托特色技术体系构建食品品质与安全保障网络，已在生鲜、冷链及高价值食品领域实现技术落地与初步应用。其中，鲜度指示技术利用天然色素或纳米复合膜的敏感特性，将食品腐败过程中的胺类释放、pH值波动等变化转化为直观信号，兼具生物相容性与响应灵敏度优势。温湿度监测路径聚焦冷链全周期参数追踪，以生物传感器及时间-温度积分器为核心装置，通过模拟食品腐败动力学特性，量化记录储运温湿度波动历史，为判断食品安全状态提供数据支撑。溯源防欺诈路径通过区块链-IoT系统与智能标签构建可信信息链，如在特级初榨橄榄油供应链中，区块链技术可实现从种植、加工到终端销售全环节的数据存证与溯源。功能整合路径代表智能包装的系统化演进方向，以可生物降解材料为载体，集成实时监测与主动保鲜功能，通过“感知-防护”协同提升食品全生命周期保障能力，适配高价值食品品质管理需求。

然而，食品智能包装依旧面临传感器成本高、稳定性及有效性不足等产业化挑战。未来，需以“低成本、高兼容、强安全”为导向，重点突破生物基传感材料规模化制备、多技术集成模块化设计等关键技术，推动智能包装在生鲜电商、冷链物流、高端食品等领域广泛应用，为食品供应链的智能化、绿色化转型提供技术支撑。

4 聚焦精准营养：未来健康食品的个性化设计策略

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在肥胖、糖尿病、心脑血管疾病等慢性疾病高发与国民营养健康需求个性化升级的时代背景下，“功能重塑化、体验个性化、供给精准化和全链数智化”成为未来健康食品设计的核心方向。这一设计理念不再仅局限于“仅满足基础营养”的传统逻辑，而是以“精准匹配个体需求，定向发挥健康效能”为最终目标，依托多学科理论与前沿技术构建多元化的未来食品设计体系（图4）。

4.1 食品架构概念指导的健康食品设计

食品的理化性质、感官属性及营养功能特性最终取决于其所含组分的类型、结构及相互作用。食品架构概念是指通过组分结构设计、分子定向修饰等技术路径，自下而上对食品进行理性设计，创造出具有特定感官属性和营养功能的新型健康食品。在肥胖、糖尿病、心血管疾病等慢性代谢性疾病高发的公共健康背景下，传统食品中高糖、高脂、高盐的组分特征难以契合消费者对健康饮食的核心需求。因此，本节系统阐述基于食品架构概念指导的健康食品设计核心策略与关键技术，以实现常见营养素健康属性的定向升级，核心包括三大方向：1）推动碳水化合物从“快速供能”向“慢消化、低升糖”的功能转型；2）兼顾食用口感风味与脂肪摄入控制，研发“低吸收、定向功能”型脂质产品；3）平衡食品风味与心血管健康需求，实现“减盐不减咸”。

4.1.1 减糖设计

世界卫生组织（WHO）《碳水化合物摄入指南》（2023）明确强调“碳水化合物质量是慢性疾病预防的核心，高质量碳水应源于富含膳食纤维、消化吸收平缓的全谷物、蔬果及豆类”。针对传统简单碳水化合物（如精制米面）快速供能、高升糖特性与慢性疾病防控需求的矛盾，推动其向“慢消化、低升糖”方向功能性重塑，已成为食品营养学领域的研究热点。

目前，碳水化合物的健康化升级主要通过两大核心技术路径实现：1）淀粉的多元改性技术：即通过物理、化学及酶法修饰的协同或单一作用，定向调控淀粉结构与消化特性，核心机制为降低酶解可及性以实现慢消化功能。例如，采用挤压蒸煮、退火处理、水热处理等工艺调控淀粉回生过程，改变淀粉结晶度和晶体类型；通过酯化、醚化、氧化、磷酸化等化学修饰手段引入非极性或带电官能团，构建酶解空间位阻；利用淀粉转移酶、分支酶等酶法修饰催化糖基残基转移与分子链重排，提升分子有序性以降低酶消化效率。上述策略可有效将快速消化淀粉转化为慢速消化淀粉和抗性淀粉。如Shi Chengming等采用辛烯琥珀酸酐对玉米淀粉进行化学修饰，显著提升了淀粉的酶解抗性。在另一项研究中，Jiang Huan等以4-α-葡聚糖转移酶处理玉米淀粉，通过催化糖基残基转移与支链重排，使短链（聚合度（DP）＜13）及长链（DP＞30）组分含量增加，进而实现慢速消化淀粉与抗性淀粉的高效富集。2）非营养性甜味剂的替代：以阿斯巴甜、三氯蔗糖等人工合成甜味剂，以及罗汉果苷、赤藓糖醇等天然甜味剂替代蔗糖、玉米糖浆等传统甜味剂，可在满足风味需求的同时规避血糖波动风险。此类甜味剂因分子含特殊化学键，无法被人体消化酶分解，不直接参与葡萄糖代谢，因此几乎不产生热量。近年来以“0糖0卡”火速出圈的系列饮料，其甜味功能便通过赤藓糖醇与三氯蔗糖的复配组合实现，是该技术路径产业化的典型代表。上述减糖策略协同推动了低糖、低卡路里食品的产业化发展，为新型健康碳水化合物基食品的创新设计提供了多元化技术支撑。值得关注的是，未来健康食品设计中可通过膳食纤维复配技术实现“减糖”与“补纤”的协同增效。例如，将可溶性/不可溶性膳食纤维与淀粉定向复配，能够增加食糜黏度、延缓葡萄糖扩散与吸收，进一步强化低升糖效应。同时，膳食纤维经肠道菌群发酵产生短链脂肪酸，可改善肠道屏障完整性、调控代谢稳态。将该协同设计理念纳入日常饮食，可为全民慢性疾病防控与整体健康提升提供重要支撑。

4.1.2 减脂设计

针对脂肪过量摄入引发的健康风险及消费者对低脂食品的需求，基于食品架构设计理念的脂质功能性改性技术成为研究重点，其核心通过调控脂质晶体结构与分子排布，实现“低吸收”或“定向供能”目标，主要包括晶体结构定向调控与脂质分子重构两大策略。

1）晶体结构定向调控策略：脂质晶型中，β型晶体分子排列高度有序、堆积密度与热力学稳定性最高，对胰脂肪酶的水解具有强空间位阻与酶解抗性，其消化速率显著低于呈细针状、比表面积大的β’型晶体，可有效减少人体对脂肪的消化吸收。通过精准控制冷却速率、温度、剪切力等物理参数可诱导目标β晶型形成。Zaliha等在5 ℃/min的脂质熔融速率以及32.1～40.8 ℃条件下，成功将β’型晶体主导体系转化为β型体系，该技术可应用于巧克力、黄油等高脂食品，在满足口感的同时降低脂肪吸收。

2）脂质分子重构策略：人体胰脂肪酶具有严格的位点特异性，优先水解sn-1,3位脂肪酸，而对sn-2位几乎无催化活性。因此，通过sn-1,3特异性脂肪酶重排脂肪酸在甘油骨架的位置，可合成低热量重构甘油三酯，实现低吸收或定向供给中链脂肪酸的目标。该技术商业应用前景广阔，例如经sn-1,3特异性脂肪酶修饰的中链脂肪酸米糠油替代传统煎炸油，可用于红薯片、能量棒等运动食品生产，既满足机体的供能需求又契合低脂健康的饮食导向。

4.1.3 减盐设计

氯化钠是维持人体正常生理功能的必需无机盐，其摄入量与健康紧密关联。WHO建议成年人每日氯化钠摄入量低于5 g，而全球多数地区实际摄入量远超此标准，过量钠摄入已成为诱发高血压、心血管疾病等慢性病的重要风险因子。然而，直接降低食品中氯化钠的添加量易导致食品咸味不足、质构劣变。因此通过精准调控盐在食品基质中的分布规律，或优化盐晶体的物理形态以强化钠离子感知效率，是实现“减盐不减咸”的核心策略，具体可通过构建高效释钠基质或调控盐晶体结构实现。

1）食品胶体技术构建高效释钠基质：食品胶体技术可通过优化钠离子释放动力学增强咸味感知。一方面，通过调控果胶、卡拉胶等亲水性多糖的浓度与交联度，构建“低弹性、易碎裂”凝胶网络，其可在口腔咀嚼过程中快速分散为微碎片，使表面钠离子迅速接触味蕾以提升咸味响应。另一方面，基于氯化钠的水溶性特征，设计水包油或水包油包水复合乳液，将氯化钠局部富集于水相，在总盐量不变的条件下通过提高钠离子局部浓度强化咸味，为液态及乳浊型食品的减盐提供有 效方案。

2）盐晶体结构的功能性设计：精准调控盐的晶体形态与微观结构，可提升其溶解速率与咸味表达效率。通过喷雾干燥或海水蒸发结晶可制备空心、金字塔形、片状等特殊形貌的盐晶体，其与唾液接触面积远大于普通氯化钠立方晶体，溶解速率更快，能迅速释放钠离子形成口腔局部高浓度，大幅缩短味蕾检出时间并强化咸味感知。基于此机制，这类盐晶体可在减少20%～50%钠用量的同时维持甚至提升咸度，其中中盐空心盐、泰莱SODA-LO®等空心结构及嘉吉Diamond Crystal®中空金字塔形盐，凭借高孔隙率与多孔网络释放优势，减盐效果尤为显著。

综上，食品基质调控与盐晶体结构优化技术，可在保障食品质构、风味的同时实现“减盐不减咸”，为低钠健康食品研发提供新角度和新思路。

4.2 食品感知差异导向的个性化食品设计

随着居民消费水平的升级，消费者对食品的需求已从传统“安全”底线与“健康”诉求，向更高层次的感官体验延伸，“美味”成为影响消费决策的关键因素，这一转变也为食品风味感知提升及增感技术创新提供了强劲动力。食品感知作为消费者对食品的综合主观体验，由感知主体、客体及外部环境多因素动态交互形成，具有多层次、多维度、多感官的特征。

4.2.1 风味与质构的跨模态交互

感知客体（食品本身）的固有特性是引发感知差异的物质基础，风味组成是核心影响因素，由甜、咸、苦、酸、鲜5 种基本味觉与香气、异味等嗅觉成分协同构成；质构和外观则是感官愉悦体验的重要组成部分。这些特性不仅可独立影响风味感知，还能通过视觉、触觉、嗅觉、听觉和味觉的跨模态知觉交互作用实现风味感知的强化或改善。跨模态感官交互是指一种感觉形态刺激可补偿或满足另一种感觉形态的相关欲望，其中气味诱导的滋味增强已被证实能实现“减盐增咸”“减糖增甜”等目标，广泛应用于葡萄酒、奶酪、果汁、肉制品等食品中。例如，牛乳甜点中添加香草香精可减少30%～40%蔗糖用量，而1-辛烯-3-醇、二甲基二硫等香气化合物可在维持肉制品咸味感知的同时降低NaCl添加量。

4.2.2 遗传与生理介导的感官偏好

感知主体的个体特异性是食品感知差异的核心驱动因素，源于生理特征、遗传背景、心理状态等固有差异。遗传基因是根本诱因，可直接调控感官受体类型与活性。人类拥有约26 个功能性苦味受体基因，其遗传变异导致个体苦味感知差异，其中“敏感型”人群对十字花科蔬菜、黑咖啡等的苦味感知显著增强。此外，生理状态差异会进一步放大感知差异，同时情绪、压力水平可通过影响感官敏感度而丰富感知差异维度。值得注意的是，食品口腔加工过程是放大个体感知差异的关键环节，唾液分泌量及组成、口腔温度、舌面形貌、咀嚼参数等差异，会改变食品在口腔中的停留时间、破碎程度与接触面积，进而影响风味释放速率与质地 感知。近年来，口腔摩擦学作为食品科学与软摩擦学交叉的新兴领域，为阐释食品口腔感官的物料差异与个体感知差异奠定了理论基础，为适口性食品定向设计提供了新视角。

4.2.3 场景化的感知体验适配

外部环境通过影响感知主体的心理状态与感知过程，间接加剧食品感知差异，为个性化食品设计提供了场景化适配思路。食用环境的物理条件（温度、噪声、光照等）会直接作用于感官感知；食品消费过程中的附加信息（品牌声誉、定价水平、包装设计）可通过心理暗示影响感知判断。

综上，未来精准个性化食品设计需以消费者感知偏好数据为核心，依托多学科技术手段实现食品感官属性的定向优化与精准调控，同时突破“仅关注食品本身”的局限，向“食品-人群-场景”协同定制方向拓展，以实现不同消费人群、不同场景下的最优感知体验。

4.3 营养基因组学驱动的精准营养食品设计

随着饮食营养与健康长寿、生活质量关联认知的深化，精准营养逐渐从概念走向消费端落地。其核心是整合个体健康需求、基因特征、身体成分、生活方式等多维度数据，实现营养供给与生理特征的精准适配。

4.3.1 营养基因组学的技术体系

自1999年“营养基因组学”提出以来，营养组学已经成为融合基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学及营养生物化学的跨学科前沿领域，为精准营养方案制定与健康食品研发提供科学支撑。转录组学通过RNA测序等技术解析基因表达水平，揭示营养素对炎症、代谢通路的调控机制；蛋白质组学依托质谱、同位素标记相对和绝对定量等技术明确营养素作用的关键蛋白靶点；而代谢组学通过液相色谱-质谱联用技术、核磁共振等技术表征饮食与体内代谢终产物的关联。这3 种技术在饮食评估与营养-疾病关联挖掘中发挥核心作用，构成“基因-蛋白-代谢”的多维度技术支撑体系。

4.3.2 全生命周期及特殊人群的精准营养设计

不同人群及全生命周期的营养需求与代谢特征差异，为营养组学精准应用提供了重要靶点，核心表现在年龄维度与特殊人群的差异化干预上。一方面，人体代谢轨迹的阶段性特征决定了营养干预的重点差异：新生儿期（0～1 岁）代谢率达成人1.5 倍，需保障优质蛋白与必需营养素供给以匹配大脑发育需求；青少年期（1～20 岁）代谢率年降2.8%，生长发育旺盛期需强化钙、铁及PUFAs供给；成年期（20～60 岁）代谢稳定，但需要关注由基因多态性介导的代谢响应差异，如CYP1A2基因变异者咖啡因代谢缓慢，高摄入会增加心脏病风险，APOEε4等位基因携带者需低脂饮食降低痴呆风险；老年期（60 岁以上）代谢率年降0.7%，伴随肌肉流失与消化功能减弱，需重点补充高生物利用率蛋白、VD及膳食纤维。另一方面，特殊人群的营养干预需结合基因特征实现精准化供给：孕妇代谢率随体质量线性上升，但调整后稳定，无需过量供能，重点保障叶酸、铁供给，而MTHFR基因多态性会影响叶酸代谢效率，需针对性调整摄入量。

未来营养组学将聚焦人群特征与基因背景的交互机制，通过多中心临床研究验证个性化方案有效性，突破数据整合、跨学科协作及产业转化瓶颈。同时需应对直接面向消费者基因检测伦理争议、数据隐私保护及专业人员技术能力不足等挑战。最终目标是实现精准营养从实验室走向规模化应用，为全人群、全生命周期健康管理提供支撑，助力降低肥胖、心血管疾病等慢性病的发病风险，推动食品工业向“精准营养定制”方向转型。

4.4 前沿技术赋能的未来健康食品设计

多组学技术、AI与大数据、智能制造技术及传感与可穿戴设备的突破应用与跨界融合，正打破传统食品生产的标准化局限，推动营养供给从“广谱适配”向“个体精准匹配”跨越。

4.4.1 多组学技术

多组学技术的协同应用为精准营养提供了分子层面的需求解析支撑。营养基因组学通过筛查基因多态性特征，为个性化营养方案制定奠定基因基础；转录组学、蛋白质组学与代谢组学的联合分析，可动态识别血清脯氨酸、脂质过氧化代谢物等特征生物标志物，精准关联个体营养状态与疾病风险；宏基因组学对肠道菌群结构的解析，进一步揭示菌群-营养吸收的互作关系，为通过食品设计调节菌群平衡、调控“肠-X”轴健康提供新靶点。多组学技术的融合，使营养需求解读从“宏观症状”深入“分子机制”，实现了精准营养的科学量化。

4.4.2 AI与大数据

AI与大数据技术有效破解了个性化食品设计中“需求复杂、变量繁多”的核心难题。通过整合个体基因数据、身体成分、生活方式、饮食偏好等多维度信息，机器学习、深度学习可构建营养需求预测模型，精准输出营养素配比、风味及质构等核心设计参数，同时解析功能因子协同作用规律，实现多组分营养配方优化。此外，大数据通过整合人群健康趋势与消费需求变化，为个性化食品设计提供方向，如设计办公室人群便携低卡食品、老年人易吞咽高钙食品等。

4.4.3 智能制造技术

智能制造技术的升级推动个性化食品从设计蓝图走向规模化落地。3D打印技术凭借数字化精准调控优势，可按需定制食品营养成分、形态与质构（如糖尿病患者低糖高纤主食、儿童卡通造型均衡辅食等），实现“一人一方”柔性生产。纳米载体包埋等靶向递送技术解决了功能因子稳定性与生物利用度问题。智能包装技术通过实时监测与动态调控食品状态，在保障安全的同时提升个性化食品储存与食用体验。

4.4.4 传感与可穿戴设备

传感技术与可穿戴设备的普及，构建了“实时监测-数据反馈-产品迭代”的动态优化闭环。智能手环、血糖仪等设备可实时采集个体血糖、血脂、能量消耗等生理指标，结合饮食记录数据反馈食品食用效果，确保营养供给与个体生理状态精准适配，为个性化食品持续优化提供动态数据支撑。

综上，多技术跨界融合构建了精准营养食品研发的全链条技术体系，从分子层面解码需求、智能设计配方、柔性化生产到动态优化调整，协同推动个性化精准营养食品从实验室走向消费端。

5 未来食品发展的共性挑战

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未来食品在新型原料开发、加工技术革新及精准营养设计等领域的探索已取得阶段性进展，但从实验室成果走向产业化落地、从技术创新迈向市场普及的过程中，仍面临一系列跨领域、多维度的共性挑战。

1）技术研发瓶颈突出，转化效率亟待提升。技术研发层面，未来食品各细分领域均面临核心技术突破不充分的瓶颈。替代蛋白的质构优化、功能性碳水化合物的绿色高效提取、功能因子的靶向递送系统构建、微纳米加工技术的规模化适配及无血清培养基研发等核心技术，目前仍处于攻坚阶段。部分技术虽在实验室层面已得到验证，但产业化转化仍存在显著壁垒，难以实现从“可行”到“可控”的跨越。同时，技术研发成本居高不下，微生物发酵蛋白的菌种优化、3D食品打印的专用原料与设备研发及智能包装传感器开发等环节的高成本投入，进一步限制了相关技术的产业化推进。此外，跨学科技术融合深度不足，难以充分支撑未来食品“精准化、功能化、绿色化”的综合发展诉求，食品科学与合成生物学、材料科学、AI等学科的交叉协同有待加强。

2）产业配套体系滞后，协同衔接存在断层。产业配套方面，未来食品产业仍处于发展初期，产业链各环节协同性不足、上下游衔接断层的问题较为突出。新型原料的规模化生产缺乏标准化原料基地及完善的供应链体系支撑，农业废弃物与食品加工副产物的资源循环利用体系尚未健全，导致产业发展的资源利用效率整体偏低。在加工技术革新过程中，配套的专用设备与工艺体系滞后，部分关键装备如微纳米加工设备、细胞培养肉生物反应器等仍依赖进口，制约了技术落地的效率与成本控制。精准营养食品目前仍处于概念落地的初级阶段，全链条产业配套体系尚未完善，难以支撑个性化食品的规模化定制与市场化供给。

3）市场认知存在偏差，接受意愿有待激发。市场接受度方面，消费者对未来食品的认知偏差及接受意愿不足，已成为制约其市场推广的核心瓶颈。昆虫蛋白、细胞培养肉等新型原料受传统文化观念、感官体验等因素影响，易引发消费者的心理抵触情绪。同时，采用合成生物学、微纳米加工等新技术生产的食品，其“天然性”与“安全性”也备受争议，消费者信任建立难度较大。精准营养食品的功能价值科普力度不足，消费者对“个性化营养”的认知多停留在概念层面，难以转化为实际消费意愿。此外，未来食品的市场培育体系尚不完善，缺乏系统性的科普宣传、产品体验推广及市场引导机制，市场需求未能得到有效激发。

4）标准法规建设滞后，市场准入壁垒突出。标准体系建设层面，未来食品领域的法规与标准制定显著滞后于技术创新与产业发展进程。新型食品原料的分类界定、安全性评价方法及质量标准尚未健全，例如昆虫蛋白、微生物发酵蛋白等新型原料的国家标准仍处于空白状态。同时，新型加工技术的工艺操作规范、产品质量控制标准尚未建立，细胞培养肉、3D打印食品等产品的生产规范与质量评价体系仍处于探索阶段。精准营养食品的标签标识规范与功能声称标准尚不明确，导致市场准入壁垒突出，部分技术创新产品因“无标可依”难以实现合规上市。同时，不同国家与地区的标准体系存在显著差异，为未来食品的国际化流通与产业拓展造成阻碍。

5）安全评价体系不完善，风险防控存在盲区。安全评价方面，未来食品的安全性评价体系仍存在诸多风险评估盲区。新型原料的长期食用安全性、潜在致敏性尚未得到充分验证，例如食用菌多糖、微生物源脂质对过敏人群的潜在风险仍不明确。此外，新型加工技术可能带来的食品安全风险，如微纳米包埋所用载体材料的生物安全性、合成生物学改造微生物的环境释放风险等，尚未建立系统的风险评估方法与标准。值得关注的是，未来食品的功效评价多依赖体外实验与动物实验数据，人体临床试验的深度与广度不足，样本量与随访周期有限，其功能声称的科学性与可信度仍需进一步验证。

6 结 语

6

未来食品的发展正处于全球食物体系重塑与人类健康需求变革的关键交汇期，以新资源开发、绿色加工革新及精准营养设计为核心的科技进步，正加速推动食品产业从传统供给模式向可持续、高品质、智能化的新阶段跨越。尽管未来食品领域目前仍面临技术支撑、产业支撑、市场支撑、标准支撑、安全支撑等多维度的共性挑战与跨领域瓶颈，但新型原料、革新技术与创新理念的深度融合，已为构建可持续与营养健康导向的现代化食物体系奠定了坚实根基。其中，替代蛋白质、功能性碳水化合物、功能型脂质及食品功能因子等多元化原料体系，将为缓解资源约束、提升食物健康价值提供解决方案；细胞工厂、微纳米加工、增材制造与智能包装等技术突破，将深刻变革食品生产方式，构建高效、营养、绿色的现代化供应链体系；多组学技术、AI与可穿戴设备的协同应用，将加速精准营养从理论探索走向实践落地，实现个体化健康干预的系统化升级。

面向未来，食品科技工作者需立足国家食物安全战略与人民健康需求，以科技创新引领未来食物体系构建，聚焦核心技术突破、跨学科融合创新及产业链协同配套等关键方向开展研究。同时，政府与行业协会应加快标准体系构建、安全评价体系完善及市场培育体系建设，为未来食品产业发展提供坚实的政策支持与行业保障；企业需以市场需求为导向，推动技术成果产业化转化与产品创新升级，打造兼具生态价值、健康价值与市场价值的未来食品标杆产品。各方主体协同发力，以科技向善的价值理念回应资源、环境与健康领域的多重挑战，共同肩负起“保障国民吃得好、吃得可持续、吃得健康”的时代使命。

作者简介

通信作者：

刘学波 教授

西北农林科技大学校长助理入选国家万人计划科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、科技部中青年科技创新领军人才等高层次人才支持计划，享受国务院政府特殊津贴，当选英国皇家化学会会士。担任国务院学位委员会第八届食品科学与工程学科评议组成员，国家重点研发计划“食品营养与安全关键技术研发”专项实施方案及指南编制组副组长、整体专家组成员，获评2024年全球前0.05%顶尖科学家、全球高被引科学家等学术荣誉。主要从事膳食因子调节糖脂代谢及脑健康的营养功能性评价与机制、膳食模式的营养学干预策略等方面的研究工作，近5 年以通信作者在Cell Metabolism、Nature Communications、Science Advances、《中国食品学报》等国内外期刊发表论文90余篇，获批授权专利7 项；主持国家“十四五”重点研发计划项目课题、国家自然科学基金（5 项）等国家及省部级项目30余项；荣获陕西省自然科学奖一等奖1 项、教育部自然科学奖二等奖1 项、陕西省自然科学优秀学术论文奖一等奖1 项；负责的“西北农林科技大学食品营养与健康创新团队”入选陕西省“创全国一流”团队，牵头创建了我国首个“食品营养与健康”本科专业。

第一作者：

刘夫国 教授

西北农林科技大学食品科学与工程学院院长助理，入选农业部神农青年英才、2023—2024年度Clarivate全球高被引科学家等。博士毕业于中国农业大学，之后赴香港中文大学进行2 年博士后研究。主要从事食品胶体与界面化学、食品功能因子稳态化与靶向递送、功能食品研发等方面的研究工作，以第一或通信作者在Advanced Science、Biomaterials、Coordination Chemistry Reviews、Advances in Colloid and Interface Science等期刊发表SCI论文112 篇，其中IF＞10的论文39 篇，封面论文7 篇，ESI高被引论文15 篇，中科院大类一区论文85 篇。所发表论文先后被Nature Food等期刊引用13 000余次，H指数67（引文数据来源于谷歌学术）。主持重点研发计划项目课题、国家自然科学基金等科研项目10余项。以第一发明人获授权专利13 项。荣获陕西高等学校科学技术研究优秀成果奖一等奖（1/7）、教育部自然科学奖二等奖（3/6）、中国国际大学生创新大赛国家级金奖（第一指导教师）等。

引文格式：

刘夫国, 戴陈霖, 张桂育, 等. 面向可持续与营养健康的未来食品展望[J]. 食品科学, 2026, 47(7): 1-19. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251229-240.

LIU Fuguo, DAI Chenlin, ZHANG Guiyu, et al. Perspectives on future foods for sustainability and nutritional health[J]. Food Science, 2026, 47(7): 1-19. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251229-240.

实习编辑:刘芯；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为了帮助食品及生物学科科技人员掌握英文科技论文的撰写技巧、提高SCI期刊收录的命中率，综合提升我国食品及生物学科科技人员的高质量科技论文写作能力。中国食品杂志社拟定于2026年8月13—14日在安徽合肥举办“第13届食品与生物学科高水平SCI论文撰写与投稿技巧研修班”，为期两天。

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为系统提升我国食品营养与安全的科技创新策源能力，加速科技成果向现实生产力转化，推动食品产业向绿色化、智能化、高端化转型升级，由北京食品科学研究院、中国食品杂志社《食品科学》杂志（EI收录）、中国食品杂志社《Food Science and Human Wellness》杂志（SCI收录）、中国食品杂志社《Journal of Future Foods》杂志（ESCI收录）主办，合肥工业大学、安徽省食品行业协会、安徽大学、合肥大学、合肥师范学院、北京工商大学、中国科技大学附属第一医院临床营养科、安徽粮食工程职业学院、皖西学院、滁州学院、蚌埠学院共同主办的“ 第六届食品科学与人类健康国际研讨会 ”，将于 2026年8月15-16日（8月14日全天报到） 在 中国 安徽 合肥 召开。

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为对标农业农村部2035年科技规划及“十四五”“十五五”发展方向，推动农产品加工与储运的工程化、智能化、绿色化升级，由湖南省农业科学院、湖南农业大学、北京食品科学研究院、国际食品科技联盟（IUFoST）、中国农业大学、岳麓山工业创新中心主办，湖南大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湖南中医药大学、湘潭大学、岳麓山实验室协办，中国食品杂志社、洞庭实验室、湖南省食品科学技术学会、湖南省农产品加工与质量安全研究所、湖南农业大学食品科学技术学院、Springer Nature-《Agricultural Products Processing and Storage》杂志承办的“第二届农产品加工与食品制造国际学术研讨会—创新引领绿色智造，AI赋能科技进步”，将于2026年9月19-20日（9月18日会议报到）在中国 湖南 长沙召开。

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