数字化食品在新时代下的发展与挑战

李兆丰，刘炎峻，徐勇将，王 静，陈 坚，刘元法,5,*

（1.江南大学食品学院，江苏 无锡 214122；2.江南大学 粮食发酵与食品生物制造国家工程研究中心，江苏 无锡 214122；3.北京工商大学食品与健康学院，北京 100048；4.江南大学未来食品科学中心，江苏 无锡 214122；5.白马未来食品研究院，江苏 南京 211225）

随着物联网、云计算、大数据、区块链、人工智能等新一代信息技术的不断突破和广泛应用，全球正在经历一场颠覆性的数字革命，改变着人类生产生活方式、各国经济社会发展、全球治理体系和人类文明进程。数字化经济已经是事关国家发展大局的战略选择。目前，美国2020年数字经济已达到13.6万亿 美元，数字化转型布局起步较早，其数字经济在国内经济中占据主导地位，约占GDP的60%以上。而中国数字经济虽然发展迅速（2020年数字经济增速9.6%），但数字经济以5.4万亿 美元的规模位居第二，数字经济规模占中国国内生产总值比重约40%，产业数字化转型亟待稳步推进。

食品行业作为国民经济重要支柱产业和保障民生的基础产业，其中数字化食品也已经成为其未来发展模式的必要趋势。我国的食品产业也进入高质量发展阶段，食品消费正由生存型消费向健康型、享受型消费转变，由吃饱、吃好向保障食品安全、健康、满足食品消费多样化转变，成为目前食品行业相关工作者的首要任务。目前，中国的数字化食品产业主要体现在食品制造业的转型升级与现代食品安全检测方面。其中，食品个性化设计也在逐步数字化。例如，食品领域的3D打印技术作为一种新兴的食品加工技术，集成了数字化和食品加工等多种技术，具有节约原料成本、产品造型丰富和个性化营养定制等独特优点，可以根据配方和营养成分的不同，对食品组分进行优化以制造出可满足不同人群需求的健康食品等。随着工业4.0的推动，涉及饮料、乳制品等领域的食品制造业已经逐步开始智能数字化，食品生产自动化及智能化成为企业控制运营成本、提升产品质量、确保产品安全以及灵活地适应消费多样化需求等的重要技术手段之一，但是数字化程度仅仅局限于部分关键链条。此外，目前已有多个食品专业机构发起并建立了基于大数据分析的食品安全信息平台，作为推进大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等技术在食品安全监管领域的信息化平台，如何实现最大程度的数字化和数据公开化，实施智慧监管，逐步实现食品安全数字化监管和安全信息的数据流共享，也是食品行业正在稳步推进的方向之一。除食品制造和食品监管之外，食品营销、食品供应等多数食品领域中的数字化食品均已在稳步发展。例如，食品企业通过在线食品选择、套餐配搭、食品配送应用程序来用于零售服务和饮食干预，并根据个人需求进行个性化需求设计。这种数字化食品零售服务通过扩大对消费者的食品供应，进一步影响饮食习惯并调整商业模式。

尽管数字化食品的发展已经成为食品行业的发展趋势，但是数字化食品的发展也面临着新机遇与挑战。因此，本文综述了数字化食品在食品领域的研究进展与关键技术，并展望了其在食品行业的未来发展趋势。加速数字化食品成为未来食品的重要工业制造与发展模式，推进食品产业数字化转型，将对食品行业所有部门的发展升级产生越来越大的影响，也将重新塑造食品行业的核心竞争力。

1 数字化食品概念与内涵

1.1 数字化食品概念

数字化食品是顺应时代发展基于推进数字化进程所产生出来的一种产品类型，是数字转型的产物，反映了消费者对便利服务的持续需求。数字化的特点是以数字信号的方式关联、使用，或存储数据或信息。数字化食品目前被认为是利用人工智能等数字化技术，通过人类营养健康需要、食品原料物性等数据化，借助食品生物合成、食品重组、增材制造、智能化加工、智慧化包装等食品加工相关技术产生，具备精准或定制化制造和供给的典型特征。数字化食品的产业模式是以数字知识和信息为关键生产要素，以数字技术为核心驱动力，以现代信息平台为重要载体，通过数字技术与实体食品企业的深度融合来升级革新整个食品产业链条的发展模式。

1.2 数字化食品特征

数字化食品已经被认为是食品产业主体、消费、产业监管通过数字化转型来相互融合的新产业、新模式、新业态。数字化食品产业发展的目的，正是为了通过对食品生产/加工/监管/消费全链条的数据流进行有效利用和整合分析，基于开放的数据生态体系，使得食品产业的数字价值充分释放，来最大限度地满足消费者需求和食品行业标准。数字化食品以原料来源、消费者爱好与个性需求、食品检测等全方位收集与整合的大数据为核心，通过食品数据资源的有效利用以及开放的数据生态体系使得数字价值充分释放，来驱动传统产业的数字化转型升级和新食品业态的培育发展。因此，数字化食品的发展依赖于推动数字化发展的几项关键技术，例如物联网、区块链技术、人工智能、大数据及云计算等技术，同时也是食品企业、食品消费/物流/监管系统不断实现数字化的必然趋势。

与其他物质产品生产不同的是，数字化食品的生产有额外的具体需求。由于原材料的可变性，加工-生产-运输过程中都必须考虑食品的化学、物理或生物特性；而由于食物摄入的营养性与安全性，食品生产过程中同样必须考虑到消费者的健康需求，这些足以使食品行业在产品设计开发、加工制造、储运流通过程中的每项决策发生改变或改进（图1）。

图1 数字化食品的产业结构及其技术基础Fig.1 Industrial structure and technical basis of digital foods

中国食品领域目前存在很多不足，特别是企业所提供的产品和服务不能有效满足消费者需求（如健康需求）、产品形式单一、健康食品产业乱象、产能与有效供给的不对称、食品安全频发等等。对此，数字化食品的转型是食品行业高质量发展的重要途径。研究证明，某些传统食品产业通过实施智能制造试点示范项目，建设具有较高水平的数字化车间，生产效率平均提升37.6%、能源利用率平均提升16.1%、运营成本平均降低21.2%、产品研制周期平均缩短30.8%、产品不良率平均降低25.6%。根据2017年世界经济论坛的数据，数字化食品的物流数字化转型使物流服务业成本降低34.2%、营收增加33.6%，通过物流网、5G等技术能提升供应链透明化程度，减少腐烂变质，扩大运输半径，实现优质果蔬、畜禽、水产等生鲜食品和食材原料供给，确保整个冷链物流的可控、可防、可追溯。此外，值得注意的是，由于不健康的饮食导致全世界每年高达五分之一的人类过早死亡。这些不健康的饮食摄入很大程度上取决于食品产品设计、生产和运输过程中产生的安全和健康问题。《健康中国2030规划纲要》指出，“全面推进健康中国建设，坚持预防为主的方针，深入实施健康中国行动，完善国民健康促进政策”。数字化食品的个性化特征可以有效推进食品的健康化进程，其数字化特征可以完整监控食品安全问题，从而改善国家公民身体素质。因此，数字化食品的转型将是转变我国食品行业发展方式、推动食品行业高质量发展和保障人民健康的重要途径。

2 数字化食品的技术基础

数字化食品的产生中，信息化技术能够为数字化食品产业发展提供技术、产品、服务等方面的支持。此外，基于上述大数据管理和分析的数字化食品的加工技术，例如食品合成生物学、食品重组科学、增材制造、智能化加工包装等技术，在信息化技术高速发展的趋势下，在食品工业中发挥越来越重要的驱动作用。

2.1 数字化食品的信息化技术

新一代信息技术作为国家确立的七大战略性新兴产业之一，主要包括下一代通信网络、物联网、三网融合、新型平板显示、高性能集成电路和以云计算为代表的高端软件。目前，第五代移动通信技术（5G）、云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链等新兴信息技术正在全球范围内引发新一轮科技革命。目前最新的5G具有高速率、低延时和大连接的特点，为数字化食品产业提供了更快的数据传输能力。云计算技术的成熟为后端透明化的超大规模数据处理提供了基础设施。大数据、深度学习技术的出现加速了人工智能的跨越式发展。信息化技术在数字化食品领域的不断应用与融合正在加速食品行业技术的积累和扩散，通过食品供应链体系使各方能够捕捉、追踪、共享数据，为食品产业的数字化发展提供坚实基础，推动食品产业向智慧化转型升级。随着新一代信息技术深入应用于食品领域，数字化食品产业将拥有更大的技术创新和应用空间，主要体现在：创新信息服务模式，推动产品供需平衡；推进全供应链信息管理，支持食品加工智能化；开展智能信息分析，提升精准营养制造能力。

2.1.1 大数据与智能化

大数据是指来源众多、类型多样、大而复杂、具有潜在价值但难以在期望时间内处理和分析的数据集。作为数字化时代的新型战略资源，大数据正在改变着食品工业的加工和生产方式，而食品组学和营养组学技术的发展为数字化食品提供了收集更多数据的能力。其中食品组学是一种综合性的分析手段，涵盖了食品及营养相关的所有研究领域及其使用的研究工具，特别是基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等。随着科学技术的飞速发展，食品组学研究迈入新时代，能够用于研究和收集食品制造全过程的质量、安全、营养数据，如食品物性数据、营养体征数据等，为食品生产的数字化奠定技术基础。

基于多组学技术提供的大数据分析，食品供应链智能化数据管理系统的建设也能为数字化食品提供更多精准信息。应用集成数据方法和数据管理系统，可以提高食品系统的资源使用效率，包括食品加工、安全、质量控制和进行系统检测等。在此基础上进行系统优化和管理决策，有助于优化食品加工过程并实现回收利用，减少在制造过程中以及之后的浪费。此外，除了食品制造，数字化食品的物流过程中温度控制、监控、检测的全过程信息整合等，同样产生大量的数据，基于大数据管理将使流程标准化、智能化，才能规模化地处理庞大的物流市场。食品大数据管理作为一种操作概念，可以实现“循环经济”，充分利用废物流。在食品生产制造的数字化与智能化升级过程中，简单、透明的食品大数据管理系统对于食品及其配料的科学营养搭配、无缝供应发挥着至关重要的作用。

2.1.2 物联网技术

物联网技术是指通过二维码识读设备、射频识别装置、红外线供应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，将任何物品与互联网进行连接，通过传播媒介开展信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。互联网是物联网的核心，可在物品之间对用户端进行延伸和扩展。物联网主要包括射频识别和无线传感网络等关键技术，具有智能的管理系统和强大的运算能力两个特点，是继互联网、计算机和移动通信网之后，第三次信息产业革命的产物，具有广阔的发展前景。在数字化食品产业中，物联网技术日益发挥着关键的功能和作用。首先，物联网技术可在食品生产环节的信息获取和生产控制中扮演重要角色，包括食品原料溯源系统和食品生产物联控制系统等。其中食品溯源系统可借助射频识别技术和移动二维码技术对食品不同环节的相关数据信息提供上传和下载，从而便于消费者查询食品相关信息。

在智能供应链中，基于先进传感器和网络的物联网技术的供应链全程监控，生鲜食品供应链过程通过温度、湿度和振动等信息采集和微环境控制以及运输/配送节点和路径优化，将供应流程进行标准化与智能化，以便实现庞大的智能供应。此外，该系统还能够对食品生产过程进行严格的安全监督，使企业必须按照平台制定的标准生产食品，为数字化食品的精准制造提供安全保障。其次，借助物联网技术，可以同步处理食品流通过程的数据信息，在服务器接受数据的同时对其进行更改和分析，并能够在远端数据库提供下载。因此，物联网技术可助力数字化食品产业实现高效联通，为市场提供更安全、可靠的生产操控系统及产品。

2.1.3 区块链技术

供应链是指围绕核心企业，从配套零件、制成中间产品到最终产品，最后由销售网络把产品送到消费者手中的，将供应商、制造商、分销商和最终用户连成一个整体的功能网链结构。随着电子商务的发展及营销业态的变革，食品供应链体系已经演化为一个具有多重复杂因素且相互依存的网络体系，新技术和新工艺被不断应用于食品供应链体系中。区块链技术开创了数字化食品产业的新时代，既有利于保障和改善食品安全状况，提高信息的透明度，也有利于提高溯源的效率，降低企业成本。

区块链技术可被理解为是一种去中心化的分布式账本数据库。在区块链中，信息或记录被放在一个个区块中，然后以密码签名的方式“链接”到下一个区块。这些区块链在系统的每一个节点都有完整拷贝，并带有可追溯的时间记录。因此，区块链技术天然地符合供应链管理的需求，其链式结构与供应链中产品流转的形式有相似之处。充分利用区块链本身分布式架构带来的公信力、不可篡改性、非对称加密体系保证的透明性、聚类成天然可信大数据、连续数据作为风险控制依据所带来的可溯源性等优势，可以针对性地解决目前食品溯源、食品安全、食品质量控制等面临的问题，成为数字化食品产业的颠覆性技术。例如，区块链技术的应用，使得电商可以从原料到货运到派送等环节中各种设备自动化采集的信息实现完整溯源，以区块链所具有的不可篡改和时间戳的存在性证明等特质支持产品的溯源防伪。

2.2 数字化食品的加工技术

数字化食品的加工技术基础包括食品合成生物学、食品重组科学、增材制造、智能化加工包装等。食品合成生物学是在传统食品制造技术基础上，采用合成生物学技术，特别是食品微生物基因组设计与组装、食品组分合成途径设计与构建，创建具有食品工业应用能力的人工细胞，将可再生原料转化为重要食品组分、功能性食品添加剂和营养化学品，以解决食品原料和生产方式过程中存在不可持续的问题，实现更安全、更营养、更健康和可持续的食品获取方式。食品合成生物学能够基于食品营养、人体健康、食品制造大数据，靶向生产精准营养与个性化食品，有助于解决未来食品面临的重大挑战。

食品重组科学主要可分为挤压质构重组技术和生物质构重组技术，是改善食品口感、提高营养价值和经济效益的重要手段。其中挤压质构重组技术是通过机械混合、揉搓、剪切、高压等物理或化学作用，赋予食物原料新的质地和结构。根据挤压产品的最终形态，挤压技术可分为挤压膨化、挤压蒸煮和挤压组织化。而生物质构重组技术则是采用生物手段即重组酶的作用，实现食品性能的优化。例如谷氨酰胺转氨酶可改善肉制品、乳制品、植物蛋白制品等食品的凝胶强度，脂肪酶可将天然的脂肪或脂肪酸进行改性重新构建，得到特殊性能的结构脂质。食品重组科学技术是数字化食品加工的重要手段之一。

增材制造也可被称为3D打印，是20世纪80年代诞生的一项革命性技术。由于具有产品无需组装、生产成本低、制造周期短和可自定义产品形状等优势，该技术在近年得到了快速发展。3D打印在食品领域中的应用有许多优点，如定制化食品设计、个性化和数字化营养定制、简化食品供应链和拓宽食品原料来源等。由于3D打印技术能够在成分、结构、质地和口味上创造出更多样的食品，在未来食品工业数字化发展的现状和趋势中将发挥更大的作用。

智能化加工/包装主要体现在工业机器人在食品产业中的广泛使用，覆盖了食品原料预处理、食品加工、食品包装与物流等领域。随着数字化生产的发展以及模糊控制、人工神经网络等技术的进一步应用，工业机器人控制系统正在向基于信息技术的开放型控制器演变，以实现标准化及网络化。同时，器件的集成度也在不断提高，并采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性，使生产流程更加高效快捷。智能化加工/包装在数字化食品工业时代有望得到更快的发展，实现食品行业供应链的全覆盖，打造智能厨房、智慧工厂制造系统，推动食品生产和食品企业转型升级。

3 数字化食品产业发展现状

数字化食品的发展和产业升级是食品行业健康发展的必要需求，也是顺应国家时代发展的需求。“十四五”规划纲要中明确提出，需要促进数字技术与实体经济深度融合，催生新产业、新业态和新模式，充分发挥海量数据和丰富应用场景优势，促进数字技术与实体经济深度融合。数字化经济已经是事关国家发展大局的战略选择。目前，美国由于数字化转型布局起步较早，其数字经济在国内经济中占据主导地位，约占GDP的60%以上。而中国数字经济虽然发展迅速（2020年数字经济增速9.6%），但数字经济规模占中国国内生产总值比重约40%，产业数字化转型亟待稳步推进。

3.1 数字化食品的加工与安全监管

目前在数字化革命的大背景下，中国数字经济发展迅速的同时，其中数字化食品也在稳步发展。食品企业利用区块链食品溯源结合物联网、云计算、大数据和遥感信息等技术，已经开始通过感知设备、通讯网络射频识别、防伪标签和二维码等设备为产品建立食品溯源的全程数字化。依托于大数据和人工智能的数据驱动及智能化安全制造，食品企业的部分产业链开始数字化与智能化，用于食品企业控制运营成本、提升产品质量、确保产品安全以及灵活地适应消费多样化需求，但是数字化程度目前仅限于部分关键链条。基于数字化技术的3D打印手段已经开始被用作食品的个性化设计，根据配方和营养成分的不同，对食品组分进行优化以制造出可满足不同人群需求的健康食品，具有节约原料成本、产品造型丰富和个性化营养定制、极易满足人体健康需求等优点。

3.2 数字化食品的食品营销与公共卫生

数字化食品的发展不仅影响了食品加工与食品安全监管领域的发展，也在加速改变着公共卫生领域。原料属性、价格、供应商、产品属性、营销和监管、可及性、可承受性、便利性和可取性等食品环境的数字化，已经促使新的食品买卖形式（如在线杂货购物）、食物供应（在线食品配送）的出现。基于社交媒体或电商的数字食品营销可以影响消费者的食品选择、偏好和消费。需要特别指出的是，目前在线食品配送平台使用密集的营销策略，如广告、折扣、免费配送和套餐（折扣食品、超加工食品或饮料）、服务时间的单项或组合策略，其中折扣食品或饮料的组合主要针对不健康的膳食，这也负面影响到了大众的消费习惯，这种健康问题亟待解决。而相反的是，如果利用这些基于大数据的营销策略，根据消费者的生理特征，分析并倡导消费者食用相应的适合的食品，这也可以正面改变了大众的消费习惯和公民身体素质。在此过程中，人工智能技术和实时分析等信息化技术则帮助食品公司快速分析并通过数字化设计食品来响应人群的需求，在促进合理消费、健康饮食和避免食品浪费方面发挥着关键作用。

3.3 数字化食品的产业体系建立

值得注意的是，除了大数据技术的支持，这种数字化食品体系的建立需要通过食品产业链上的各方（农产品生产基地/养殖基地、原料加工企业、食品加工企业、流通企业、零售企业、终端食品消费者、食品监管部门）参与才能完全实现。在此过程中，食品监管部门全程监控食品生产的过程，可以更加精准地监控食品加工和运输过程中的安全因素；食品企业则通过了解消费者的食品选择、偏好和消费、原料属性，来确定加工工艺和条件，以满足消费者/监管体系等对产品的需求；消费者更可以通过提出自己的需求爱好来得到相应的数字化食品。数字化食品的以上场景的实现，必须依赖于以数字技术强化实体经济的产业转型，来保证食品行业快速发展升级。工信部等八部门联合发布的《“十四五”智能制造发展规划》提出，到2025年70%的规模以上制造业企业基本实现数字化网络化。得益于国家战略的超前部署，数字中国的快速发展将极大提升食品企业对数字化食品的信任度和参与度。

4 数字化食品产业的发展机遇与挑战

4.1 数字化食品的机遇

中国的数字化革命虽然起步较慢，但是进程迅速，中国正在成为全世界数字化转型的领军者，为中国经济增长带来新的动力。国家第十四个五年规划和2035年远景目标纲要明确指出加快数字化发展，建设数字中国，打造数字经济新优势，营造良好数字生态。在双循环和新消费时代下，食品及加工行业从生产到销售整个产业链的发展模式正在发生深刻变革，通过推动互联网、大数据、人工智能等技术与食品领域的深度融合，发展现代食品供应链、食品加工/生产/物流/经营/管理的数字化改造，将为食品产业的转移/更新/革命带来创新/制造/加工/供应的新机会。目前数字化食品已经开始稳步发展，从数字化食品的战略取向和发展途径来看，尽管对软件、数据库等基础基座方面的核心技术掌控力度仍然不够，但是中国拥有巨大的原料来源、市场和完整的食品工业体系，并且拥有充满活力的数字化创新场景，比如5G、人工智能和移动支付，中国的数字化食品正在成为全世界数字化食品转型的领军者。食品制造中数字化的参与也将使得生产/制造/加工方向和手段更加灵活和柔性，从而提升产品价值和管理可控性。高度个性化和数字化的产品特征也可以重新塑造食品行业的核心竞争力。推进数字化食品的建设将助力食品全链条的全面升级。最重要的是，亟需通过数字化食品的生产、物流、监管和零售的产品服务升级来解决我们国家面临的食品安全和食品健康问题。

4.2 数字化食品的挑战

数字化食品生产和零售服务在解决食品安全和食品健康问题上具备极其重要的作用，通过更为科学地设计和准备食物来支持消费大众的健康饮食。但是如何确保商家在利润获取和健康提倡方面做合适且道德的选择，是需要解决的挑战之一。虽然目前多数食品企业可以意识到数字化食品的转型和信息化建设的重要性，但数字化食品的产业系统升级的过程较为依赖信息技术等专业技术，部分企业的转型基础和信息化建设基础较差，难以支撑在转型过程中企业业务的快速发展。数字化发展从企业与消费者的主观和客观上均存在较大差异，主观认为较为先进，客观上感觉较为遥远，实施起来短期效益无法达到预期的效果。食物营养与安全是民生的永恒主题。保障食品数量和质量是最大的民生工程。探索建立适合我国国情的数字化食品发展模式，特别是传统食品行业，如何快速高效得适应系统数字化升级或改造、充分调动企业积极性、减少转型风险，是数字化食品发展亟待需要解决的问题。

正如以上所提及的，数字化食品体系的建立需要通过食品产业链上的各方（农产品生产基地/养殖基地、原料加工企业、食品加工企业、流通企业、零售企业、终端食品消费者、食品监管部门）参与才能完全实现。目前中国的数字化食品的转型尚缺乏整体战略规划。数字化食品达到预期效果之前，需要对食品全链条进行大量的研究和数据收集、处理，除了工作量巨大，如何保证并验证数据趋向性的科学性和正确性，也是数字化食品的稳步发展需要解决的问题。这也意味着，食品行业需要更多的食品科学与营养学领域的专业人员，解决和审查食品评估时的准确性。此外，由于数字化食品中的数据的资产属性，生产企业、食品物流企业、食品商贸企业、信息技术科技企业需要做到数据和服务器的本地化，保护中国的食品领域的本土数字市场，提升自我竞争力和战略自主性。

5 结 语

数字化食品的发展逐渐已经成为食品行业的发展趋势，是未来食品发展的重要工业制造模式，同时数字化食品的发展也面临着机遇与挑战。作为食品产业主体、消费、产业监管通过数字化转型来相互融合的新产业新模式新业态，数字化食品的发展将对食品行业的所有部门的发展升级产生越来越大的影响，也将重新塑造食品行业的核心竞争力。