营养科学的未来蓝图：整合复杂系统，迈向可持续健康
在人类历史的第二个四分之一世纪，我们日益清晰地认识到，许多曾被广泛推广的食品技术并未兑现其承诺，或尚未准备就绪。营养、食品安全和可持续性，这三者密不可分，共同构成了一个由生物学、行为、市场、政策和环境限制共同塑造的复杂、适应性食物系统的核心挑战。营养科学正站在一个关键的十字路口，它必须从主要关注单一营养素和线性干预的还原论范式，转向能够处理反馈、权衡和情境公平的系统性方法。这不仅是一份科学议程，更是一项关乎星球健康的当务之急。
联结食品安全与可持续食物系统，视其为复杂适应性系统
食品安全，即确保所有人在任何时候都能稳定、公平地获得充足、安全、负担得起且营养的食物，以维持积极健康的生活，并符合地球边界。这一概念现已扩展为六个维度：可及性、可获得性、利用、稳定性、可持续性和社区参与。实现全球食品安全，与可持续食物系统的发展直接相连。而食物系统本身，正是一个典型的“复杂适应性系统”（Complex Adaptive System, CAS）。
在这个框架下，食物系统由农民、加工商、零售商、监管者和消费者等多元主体动态互动构成，其网络特征包括相互关联的子系统、正负反馈机制和适应性行为，会产生无法从个体组分分析中预测的“涌现”结果。例如，一个地区的干旱会引发当地作物歉收，波动市场，导致价格飙升，并因全球供应链的整合性而影响到远方的食物获取。近期的乌克兰和中东冲突，以及对苏伊士运河等主要航运通道的破坏，都损害了全球食物供应链并推高了价格。
政策干预必须促进食物系统内部的多样性和冗余性。通过推广作物和市场多样化、分散供应链、加强基于社区的模式（如农贸市场和本地合作社），食物系统能够更好地抵御干扰和冲击。“减法创新”也至关重要：简化供应链、重新本地化加工、优先采用生态农业和低投入方法，有助于避免过度复杂化及其相关风险。从CAS视角看，减法创新通过减少结构性脆弱性而非增加功能容量来增强食物系统韧性。这意味着通过去除不必要的中间环节和脆弱的全球依赖，创建更简单、更本地化、更具韧性的网络。
不断变化的全球食品市场：贸易壁垒与营养政策
近年来，全球化在政治层面遭遇阻力，许多国家的民族主义政治和贸易保护主义抬头。这种“去全球化”趋势通常并非源于对食物或营养的关注，却对食品安全和膳食质量产生了重大影响。全球化在历史上支持了全季节的食物供应、饮食多样化并带来了效率提升，但也引入了与供应链中断、环境外部性以及向超加工食品的营养转型相关的脆弱性。
关税提高会增加食物总价，降低消费者的购买力，同时也会改变食物的相对价格，以深刻影响膳食质量的方式影响食物选择。这些影响在低收入和富裕国家都可能感受到。例如，美国当前政府对贸易伙伴快速且不一致地征收新关税，引发了对方的报复性关税。美国从其邻国进口的很大一部分是新鲜水果和蔬菜，而对劳动力流动的限制限制了国内生产的快速扩张。进口水果、蔬菜和蛋白质来源获取受限会降低膳食质量，而价格上涨对低收入人群的影响尤为严重。另一方面，超加工食品向国内食品制造业欠发达国家的流入减少，可能为更健康的膳食转变创造机会，前提是本地食物系统有能力支持这种转变。
在营养标签政策方面，去全球化可能促使政策创新与区域营养目标更紧密地结合。南美洲采用食品包装正面警告标签就是一个例证。智利是全球首个实施基于黑色八角形停止标志警告符号的强制性正面包装标签系统的国家，该政策源于国内公共卫生优先事项，并作为更广泛监管方案的一部分实施。基于早期实施阶段的积极变化证据，类似的警告标签系统已在该地区被采纳或调整。这凸显了去全球化不一定意味着监管碎片化，也可能促成与国家和区域营养目标一致的政策创新，随后被其他地方采纳。
饮食多样化：植物基替代品与原产地食物
饮食多样化因多种原因一直被推荐，其中植物基食品替代动物源性食品，以及原产地食物或民族食品正变得越来越受欢迎。这伴随着伦理、营养和食品安全方面的多重影响。
植物基替代品（PBA）的营养价值因其植物来源高度可变而难以一概而论。就蛋白质而言，除大豆基替代品外，植物来源通常因含量和氨基酸组成不如动物蛋白。对于植物基奶制品，需要注意的是，真正的乳汁是为哺乳期婴儿设计的，可提供所有必需营养素。详细差异取决于具体的植物来源，其中豆奶通常被认为与哺乳动物乳汁最为相似。其他植物基奶制品则存在不同且部分严重的营养素缺乏，除非进行营养强化。一个值得注意的方面是与有机生产和销售的奶制品替代品相关的营养缺乏。根据欧盟有机产品法规，此类产品不允许进行营养素强化。因此，有害的营养素缺乏无法得到改善，这意味着环保饮料的目标导致了营养质量的不足。
在食品安全方面，大多数调查集中在重金属和霉菌毒素上。在植物基奶制品中，稻米饮料中的无机砷、豆奶中的镉和镍含量较高已得到证实。对于霉菌毒素，一项对植物基饮料的全面市场调查发现，在燕麦饮料中，幼儿对T2和HT-2毒素总和的估计每日摄入量达到了所有产品平均值的每日可耐受摄入量的70%。对于杏仁饮料，计算得出所有产品的平均黄曲霉毒素B1含量对应的幼儿暴露限值低于2,000，远低于10,000的风险管理行动触发标准。虎坚果饮料的黄曲霉毒素B1含量甚至更高。这些结果表明，植物基饮料，特别是完全替代母乳（用于婴儿）或牛奶（用于幼儿）时，存在不可接受的风险，必须通过严格的原材料监测、制定具体的最高限量以及相应的风险沟通来解决。
原产地食品是全世界原住民饮食的重要组成部分，不仅为他们提供宏量营养素，还提供微量营养素。此外，它们所含的重要膳食植物化学物质也为世界其他地区的饮食提供了视角。在微量营养素方面，这些食物可能有助于减少“隐性饥饿”（即能量充足但缺乏微量营养素的饮食）或“诱导性饥饿”（例如使用胰高血糖素样肽-1（GLP-1）受体激动剂药物导致总体食物摄入减少）。除了营养益处，原产地食品还有助于在当前全球食物供应链（乃至食品安全）受到威胁时维持偏远社区的生计。
超加工食品
一个多世纪以来，营养科学主要采用以营养素为中心的方法进行研究和政策活动。二十世纪上半叶维生素和矿物质的发现、分离和阐明，催生了成功应对许多营养缺乏病的营养政策干预。二十世纪下半叶出现的饮食相关慢性病常被归因于高脂肪、高盐和/或高糖食物的过度消费；在此背景下制定的营养政策干预在预防慢性病方面成效参半。
2009年，一篇特邀评论对营养科学以营养素为中心的方法提出挑战，提出食品加工应成为预防饮食相关慢性病的营养研究和政策活动的主要焦点。它引入了“超加工食品”（UPF）的概念，将其定义为“主要供工业使用的配料配方，是一系列工业加工的结果”。它们是NOVA食品加工分类系统中的一个类别。UPFs在美国和英国典型饮食中的总能量摄入贡献超过一半，并且在亚洲、非洲、中东和拉丁美洲等地区的消费量持续上升。
UPF概念为设计研究来检验食品加工程度、目的与饮食相关慢性病之间的假设关系提供了基础。自2009年该概念提出以来，科学兴趣激增，到2025年已有近20,000篇出版物引用UPF。最初以观察性研究为主的文献一致地将较高的UPF摄入与32种不良健康结局联系起来，涵盖肥胖、2型糖尿病、心血管疾病、抑郁、焦虑、睡眠障碍和全因死亡率。虽然观察性数据奠定了基础，但干预研究已开始证实因果关系并阐明机制。2019年发表的第一项随意进食喂养试验表明，富含UPF的饮食在两周内使能量摄入增加约500千卡/天，并导致显著的体重增加。随后的试验证实，即使是短期暴露于UPF也能促进体重增加。
新兴试验已经开始揭示行为和生理机制。富含UPF的膳食与饱腹感降低、咀嚼努力减少和食物渴求感增强有关，这些因素驱动了过量能量摄入并导致体重增加。此外，实验数据还将UPF摄入与血脂异常和男性生育能力受损联系起来，提示激素和代谢紊乱。动物研究表明，常见的UPF添加剂（如乳化剂、防腐剂、着色剂）以及加工副产物（如丙烯酰胺和晚期糖基化/脂质氧化终末产物）会导致肠道菌群失调、短链脂肪酸产生减少、肠道通透性增加和慢性炎症。
UPF的消费也对保护星球健康构成了关键障碍，尽管其环境影响仍未得到充分探索。2025年EAT-Lancet委员会关于健康、可持续和公正食物系统的报告指出，当前饮食模式是超越地球边界的主要驱动因素。UPFs通过加工肉类和高需求植物成分（如棕榈油和大豆）的生产，不成比例地导致土地退化、生物多样性丧失和温室气体排放。它们的制造严重依赖工业化农业，加剧了化肥使用和耗水量。包装和加工中广泛使用的新型实体（如塑料和合成添加剂）进一步增加了可持续性挑战的复杂性。
食品中的塑料框架
塑料是二十世纪最具变革性的发明之一，具有耐用性、多功能性和低生产成本。然而，这些特性也留下了持久性塑料废弃物的遗留问题，这些废弃物会碎裂成微塑料（MPs，1微米-5毫米）和纳米塑料（NPs，<1微米）。这些微米和纳米塑料（MNPs）现在被认为是污染陆地、淡水和海洋生态系统的普遍污染物。
食物系统是这一问题的中心。农业广泛使用塑料于地膜、灌溉、包装和温室。水生系统是塑料废弃物的汇集地，海鲜成为饮食摄入的载体。食品加工和包装增加了进一步的暴露，空气中的微纤维会污染制备好的食物。因此，人类每天都会暴露于MPs，近期研究证实了它们存在于血液、肺部、胎盘、粪便，甚至大脑和骨组织中。
尽管证据不断增长，但关于风险规模仍存在重大不确定性。虽然体外和动物研究证明了氧化应激、炎症和基因毒性，但将MNP暴露与人类疾病直接联系起来的流行病学数据仍然稀少。与此同时，食品加工工程提供了被忽视的机会：诸如过滤、离心、喷雾干燥和酶处理等单元操作，可能要么导致MNP富集，要么提供缓解途径。
MNPs的进入食物系统既是扩散性的，也是系统性的，涵盖农业、水产养殖、包装和家庭实践。例如，农用塑料地膜在紫外线照射和机械磨损下会碎裂，产生在土壤中累积的MPs。一些中国农田的地膜残留物每公顷超过500公斤，干扰了土壤结构和微生物活动。污水污泥和堆肥作为肥料使用，引入了更多的塑料负荷。废水处理厂去除了大部分可见塑料，但释放出大量保留在生物固体中的小MPs和NPs。当这些物质施用于农田时，它们成为长期污染源。
在人类健康风险方面，意大利研究人员在颈动脉斑块中发现了微塑料，其存在与大约三年内发生主要心血管事件（心肌梗死、中风或死亡）的风险增加4.5倍相关。一些尸检研究报告显示，在神经退行性疾病队列中，大脑微/纳塑料负担更高，但因果关系尚未证实，仍需重复验证。中国研究人员报告了骨骼和骨骼肌中的微塑料，引发了关于肌肉骨骼健康和运动能力的疑问。
在机制上，塑料与氧化应激、脂质过氧化、DNA损伤和慢性炎症有关。纳米塑料可穿透细胞膜并在细胞器内积累，破坏细胞代谢。一些证据表明塑料会通过损害血管功能和维持低度炎症来加速衰老。考虑到粪便中较高的微塑料负荷，有人推测其与癌症（特别是结直肠癌）的关联。
大数据与综合食物成分时代的到来
“大数据”这个术语正在从基因组学到天文学等多个科学领域引发革命。营养学一度落后，但这一切即将改变。这个科学探究和转化的新时代并非一蹴而就，本质上是多项突破性进展的结合。首先是概念上的突破，即计算机器可以学习并基于先前的计算进行构建的愿景。其次是技术上的突破，世界首次注意到能够存储和访问真正大型数据集的高容量计算机网络。这种存储大型数据集的能力推动了各领域对大量数字数据进行数学探究。各种领域开始重新思考实验和数据收集，因为计算存储容量不再是限制因素。超级计算能力的快速发展使得最后一步成为可能，即结合机器学习与大数据的算法。
但是营养学却被甩在了后面，原因是最基本的：它缺乏其最重要的大数据——食物的精确化学成分。在全世界数千种食物中的数千种化学物质中，数据库只包含了其中一小部分关键数据。然而，获取这些信息的工具正在兴起，并得到几个关键倡议的引领，特别是食物元素周期表倡议、美国农业部数据库和Metrofood-RI。世界食物的准确、定量数据库时代正在到来。这对营养学领域意味着什么？
营养学的卓越成就是发现了必需营养素。在环境中的数十万种生物化学物质中，20世纪的科学家们确定了所有相对较少的必需维生素、矿物质、脂肪酸和氨基酸。无论如何衡量，这都是科学的伟大成就。认识到这些发现是如何取得的也很重要。必需营养素的发现是还原论科学的胜利。纯化食物中的化学物质，并确定那些从饮食中明确去除会导致明显缺乏的单个分子的策略至关重要。然而，还原论策略在必需营养素方面的成功，留下了一种期望，即所有化学物质在饮食中都单独起作用。与饮食模式相关的非传染性慢性疾病的出现，突显了饮食与健康的复杂性。这种明显的复杂性并未阻止科学家继续追求还原论实验。什么是导致或预防心脏病的那一种大分子？什么是改变炎症的那一种膳食成分？这些研究结果最多也只能说是令人沮丧。
观察性研究几十年来一直指出，饮食模式与不同环境中不同受试者在不同饮食下的多样化健康结果相关。现在，这些模式可以被解析。食物成分数据库以及解释它们的计算AI工具的第一个好处是概念上的。营养学将成为一个综合性的、多因素的、模式识别的科学。正如20世纪的还原论科学指导了与坏血病、贫血、甲状腺肿等相关的每种化学物质的发现一样，21世纪的整合工具将看到导致胰岛素抵抗、高血压、炎症等的饮食模式。
拥有通过核心的精确成分图谱获得的详细、带注释的饮食知识，将对社会产生深远的影响，正如其缺失已造成深远的代价一样。整个农业企业将通过其化学和生物产出联系起来。我们将知道什么样的饮食最适合幼儿期、怀孕和哺乳期、衰老、预防疾病和从损伤中恢复、提高表现和愉悦感，并能本地化、安全且负担得起。我们将有可能将农业作为食物的化学库存进行管理，实时匹配供需。农业效率将显著提高，释放出用于再野化的土地和水资源。农业生产、食品加工和饮食管理的化学和生物学知识可以为这些庞大的全球活动注入更多价值，并有助于解决整个食物系统中的收入不平等问题。营养学领域将转变为一门大数据、整合性科学，在整个农业和食品领域提供精准解决方案。
One Health 对食品科学与营养的影响
One Health 是一种综合性、统一性的方法，旨在可持续地平衡和优化人类、动物和生态系统的健康。它认识到人类、家养和野生动物、植物以及我们共享的生态系统中众多其他生物和非生物元素的健康是紧密相连、相互依存的。下面，我们讨论 One Health 的实施将如何影响食品科学与营养领域。基本上，这将产生从狭隘的、以人类为中心和生物医学的焦点，转向更广泛的、关注整个社会以及人为变化将如何影响生态系统和星球健康的定义。
联合国可持续发展目标与 One Health 概念紧密相连，因为它们包含了健康与福祉、清洁水和卫生、气候行动以及海洋和陆地生态系统可持续性的目标。One Health 概念超越了人类中心主义，试图同时为人类、动物和环境提供最佳健康，遵循可持续发展的原则。
One Health 对食品科学的影响需要探讨，因为预计 One Health 将对其许多基本概念和方法产生深刻改变。在这方面，One Health 高级别专家小组（OHHLEP）定义了一系列可能影响我们当前食品科学概念的基本原则；其中包括人类有责任改变行为，采取承认动物福利和整个生态系统完整性的可持续解决方案，从而确保当前和未来世代的福祉。
食品生产是突破五个地球边界的主要驱动力，约占全球温室气体排放的30%，但仍有数十亿人无法获得健康饮食。2025年EAT-Lancet委员会的最新报告显示，转向“星球健康饮食”每年可防止多达1500万人过早死亡，而转变食物系统可使这些排放减少一半以上，其中一个关键点是减少食物损失和浪费。EAT-Lancet委员会强调，转型需要一揽子政策措施——例如对水果和蔬菜补贴与对不健康食品征税相结合——以及更强的社会保护措施，以确保公正的过渡。该报告的其他重要发现是，目前全球只有不到1%的人口处于“安全公正空间”，即人们的权利和食物需求在地球边界内得到满足；最富有的30%人口驱动了70%以上的食物相关环境影响。在所有区域，该报告揭示了一个共同的不足：饮食中持续缺乏足够的水果、蔬菜、坚果、豆类和全谷物。在许多地方，分析还发现饮食中含有过量的肉类、乳制品、动物脂肪、糖和过度加工的食品。基于现有数据，2025年委员会加强了星球健康饮食益处的证据，该饮食为健康饮食设定了建议，确保营养充足性，支持最佳健康结果，并能适应不同的背景和文化。它强调以植物性饮食为主，可选择性、适量食用动物源性食物，并限制添加糖、饱和脂肪和盐。还有充分证据表明，采用符合星球健康饮食的膳食可以降低大多数当前饮食的环境影响。这些目标与《柳叶刀》One Health 委员会最新报告强调的目标直接相关。
具体而言，《柳叶刀》One Health 委员会于2025年8月发布了关于此事的报告。有趣的是，One Health 提议在进行所有这些改变时，要考虑我们共享的生态系统中人类、动物和环境之间的共生关系，因为人类、动物、植物以及我们共享的生态系统中无数其他生物和非生物元素之间相互关联的威胁范围正在扩大。气候变化、抗菌素耐药性、非传染性疾病和粮食不安全等健康挑战，突显了人类、动物和生态系统健康之间密不可分的相互联系，并揭示了对 One Health 方法指导和实施解决方案的迫切需求。从 One Health 视角来看，最重要的是如何可持续且公平地满足不断增长、更富裕、社会更具活力的全球人口的营养需求，同时促进人类、动物、植物和整体环境的健康与福祉。有趣的是，在上述报告中，并未讨
