食品技术的历史回顾与未来展望（五）

文/张以恒 编辑/易可

◆ 第四次农业革命

现代农业逐渐暴露了其局限性，它导致化肥、农药、除草剂的大量使用和土壤退化。20世纪90年代初，又发现用现代农业技术种植的高产谷物中矿物质和维生素含量很低，用作粮食常因维生素和矿物质营养不良而削弱了人们抵御传染病和从事劳动的能力，最终可能使一个国家的劳动生产率降低，经济的持续发展受阻。

第四次农业革命包括有机农业、精准农业、免耕农业等的一系列新技术。

1.有机农业。有机农业的主要精神是屏除农药、化学肥料、基因改造作物、植物生长调节剂等非天然物质的使用。国际有机农业运动联盟定义：“有机农业是一个无论是土壤、生态体系及人类三者的健康均能够维持永续（可持续发展）的生产系统。这个系统有赖生态上的过程、多元性及适应当地环境的循环，用以克服各种发展上的困难，而不是仰赖外界的介入。它是一种混合传统、创新及科学发展的科学，使得共享的环境得益，促进公平交易关系，令相关的生命保持高素养。”有机农场会运用不同的方法，其中包括作物轮作、绿肥、堆肥，选择合适的作物，并设置农田覆盖物等，以控制水土流失，促进生物多样性，并加强土壤的健康。要实现有效的有机病虫害控制，需要深入了解害虫的生命周期和相互作用。有机虫害防治主要控制目标害虫（如昆虫）、真菌、杂草和疾病，方法包括允许一个可接受的病虫害水平、引进一些能对抗病虫害的有机体、选择合时作物、作物轮作和机械控制。这些技术带来的好处是显而易见的，如虫害防治、土壤保护和改善、施肥、帮助授粉、节约用水等。这些技术都有利于农场长远生态的健康。

2.精准农业。将农业带入数字和信息时代，是21世纪农业的重要发展方向。精准农业是在信息技术的支持下，根据作物生长的土壤性状，调节对作物的投入，一方面查清田块内部的土壤性状与生产力空间变异，另一方面确定农作物的生产目标，进行定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统，进行“系统诊断、优化配方、技术组装、科学管理”，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，做到既高效地利用各类农业资源，又取得经济效益和环境效益。它并不过分强调高产，而是强调效益。精准农业系统专门用于大田作物种植的综合集成的高科技农业应用系统，是实现农业低耗、高效、优质、安全的重要途径。通过获取全球定位卫星系统和各类传感器提供的数据，人们可以收集到每一块土地上的数据；农业机械远程信息技术、无线通讯、云计算以及移动设备的发展和普及，满足了精准农业对自动化和流水线作业效率的复杂需求。有全球定位功能的作物产量监测系统收集到的数据让人们更好地了解作物在不同田间的表现和差异，从选择合适的种子、适宜的种植密度，到病虫害防控、有效的肥料搭配，再到收获和仓储，农民一年中需做出多项决定，这些决定都会影响最终收成。

3.免耕农业（又称自然农法）——少耕耘多收获，提倡不犁田。用犁耕作后土地容易受到风蚀和水蚀的形响。因为不犁田，有益的菌类及微生物会将空气带进土壤中，再配合不同作物的混栽，可以自然减少杂草及害虫并保留雨水，也可以避免在耕作中密集地使用水、石油、肥料及除草剂。免耕农业只有在有硬质地层需要用犁田方法处理时才会犁田，因此新生成的土壤生物可以更快速且更深入地成长及繁殖。自然农法的支持者声称这是在化石燃料逐渐短缺的情况下唯一可行的可持续的农业耕种方式。种植多年生生物能源植物，包括柳枝稷和杨树，可以实现真正的免耕农业。

◆ 未来的新农业——人造粮食

联合国预测世界人口数量将在2050年达到98亿，大多数人的生活水平也会上升。据预测，到2050年，人类消耗粮食将会比2010年多70%。因为中国人的饮食结构的调整（如消耗更多的肉蛋奶），中国粮食的需求总量将持续增长，粮食的进口依存度将继续上升。现在中国每年进口大豆超过9 000万吨，相当于几亿亩耕地的大豆产出量。

能不能用全新方法生产人造粮食呢？这是摆在科学家和工程师面前的一个重要的问题。1978年，著名作家叶永烈出版了科学幻想小说《小灵通漫游未来》，在《一顿稀奇的中饭》的章节中，他描绘了几种新食品，如人造大米米粒像珍珠；五香酱蛋有小西瓜那么大，里面全是蛋白没有蛋黄；清蒸肉丸由人造肉酱制成。人造粮食可按照科学饮食标准，配制符合人类健康需要的食物，不仅营养丰富，而且脂肪和胆固醇也少。

在过去40年中，工程师和科学家为解决这一课题进行孜孜不倦的探索，已取得了令人欢欣鼓舞的成果。人造粮食包括人造米、人造肉、人造鸡蛋、人造油（微生物油脂）等。

最简单的人造米是以廉价的薯类（甘薯、马铃薯）和谷物（玉米、高粱等）的淀粉为原料，再加上一定数量的好面粉和碎大米，经过与挂面生产类似的工艺而制成的人造大米。人造大米形状与天然大米相同，食味和性状可与天然大米媲美，能经受淘洗浸泡，煮成饭后仍能保持饭粒形状，同样可口。在完全保证食物固有的蛋白质、脂肪、碳水化合物、纤维的基础上，增加了许多人体所需的赖氨酸、维生素（如胡萝卜素、β-胡萝卜素、维生素B1、维生素B2）和微量元素（如钙、硒、镁、铁等），仅就维生素的含量来说，是水稻和小麦5～10倍，具有口感细腻、适口性好、饭味香、增强食欲、易吸收等特点。这种人造米有三个优点：（1）提高了廉价淀粉的营养价值，因为在制作过程中使淀粉糊化，蛋白质胶化，有利于人体消化吸收；（2）主动加入人体必需的营养成分，如赖氨酸、矿物质、维生素，以生产各种适合婴幼儿和老人的保健营养米，如市售赖氨酸含量达1%以上的高赖氨酸人造米就克服了普通玉米缺乏赖氨酸的弱点；（3）做饭时，省时节能。

为了解决从主粮中获取淀粉来源有限的问题，2013年，中国和美国科学家发明了一个将不能食用的纤维素转化为人造淀粉的生物技术，将纤维素分解为纤维二糖，再重新将其组装为淀粉。科学家们采集了一些源自细菌、真菌和马铃薯的酶，第一组酶首先将纤维素分解为纤维二糖（葡萄糖分子构成的双糖）；第二组酶随后将纤维二糖分解为一个葡萄糖分子和一个葡萄糖1-磷酸分子，这种葡萄糖1-磷酸可以合成人造淀粉；剩余的葡萄糖能够制造生物燃料乙醇。所有的酶反应和微生物发酵可以在一个反应器中进行，没有能量损失，不需要特殊催化剂，所有纤维素的葡萄糖没有被浪费。全球每年大约有200亿吨纤维素是可用的，乐观地估计人们将能够生产40亿吨左右的淀粉，这是全球谷物年产量（23亿吨）的两倍。未参与此项研究的生物工程师弗朗西斯·阿诺德（2019年诺贝尔化学奖得主）表示：“这是一个简单而完美的想法。”

人造淀粉技术的发明人说：“在中国近5 000年的历史中，粮食安全一直是第一位的问题。”没有足够的粮食，危机便会发生，朝代恐将更替。例如明朝末年的小冰河期，气候变冷导致粮食歉收以及重度饥荒，从而发生了大规模农民起义，最终明朝灭亡。

中国科学院地球环境研究所的研究成果显示，过去两千多年的气候冷暖变迁，与中国历史上一些朝代的兴衰更迭存在对应关系，大多数朝代的垮塌都是发生在气候变冷的低温区间。秦朝、东汉、魏晋、唐朝、北宋、南宋、元朝、明朝和清朝的灭亡年代，都是处于过去2 485年来平均温度以下或极其寒冷的时期。例如，历史文献研究表明，公元1～6世纪（贯穿我国东汉、三国、魏和晋朝），中国气候相对较冷。在温度曲线图上，这一时期的温度大部分都处于过去2 485年来的平均温度值（2.07℃）以下。由于气候寒冷，晋朝时期的草场、牧地已延伸到黄河以南区域，农业用地也在往南发展，整个中国西北部处于干冷气候中。其中公元348年至366年间达到了过去2 485年间寒冷的顶点，年平均温度仅为1.62℃。

全球植物每年会生产多达1 800亿吨的纤维素，这些纤维素也可能来自农作物和木材工业的大量废料。例如，每吨收获的谷物通常都伴随着2～3吨富含纤维素的废料，并且大部分废料最终都被浪费了。同时，利用多年生生物能源植物，包括柳枝稷和杨树，它们都生长在需要少量水、肥料、除草剂和杀虫剂的贫瘠土地上。现种植多年生作物对单年生作物的优势。大力发展利用非粮生物质生产人造淀粉就是最好的“藏粮于地，藏粮于技”的技术之一。（未完待续）