28、食品分析、印尼本地食物资源与生物质利用的新进展

食品分析、印尼本地食物资源与生物质利用的新进展

一、微米级高光谱成像在食品分析中的潜力

微米级高光谱成像的初步研究主要聚焦于相对简单的食品成分混合物，但它具备进一步发展以测量更复杂食品、农产品以及药品的潜力。对于复杂材料而言，即便使用高空间分辨率，获取纯成分光谱也可能存在困难。不过，遥感领域已开发出许多能够估算“纯光谱”的分解方法，这些方法或许适用于微米级成像，从而实现信息的有效分离。总体而言，微米级高光谱成像与先进分解方法的结合有望为无损分析开辟新的维度。

二、印尼本地食物资源的现状与挑战

1. 丰富的生物多样性
   印尼是世界上的生物多样性大国，拥有超过16000个岛屿，提供了丰富多样的可食用食物来源。其中包括至少77种碳水化合物来源、26种豆类、389种水果、228种蔬菜以及110种香料和调味料。印尼本地水果有266种本土水果，其中62种被栽培，还有208种本地芒果品种和200种本地香蕉品种等。这些水果颜色丰富，表明其营养成分多样，尤其是类胡萝卜素，它是决定水果颜色的重要色素之一。
2. 农业生产的转变及影响
   农业产业对印尼国内生产总值（GDP）的贡献率接近14%，近29%的劳动力从事农业。然而，目前大部分农业生产已从粮食作物转向高价值的商业商品，如大米、玉米、大豆、辣椒和青葱等。这种转变减少了市场上食物的种类，使得数百种可食用且营养丰富的物种未得到充分利用。
3. 饮食多样性与健康问题
   一项针对2785个农村家庭的研究显示，生产多样性和市场准入与家庭饮食多样性呈正相关。但总体饮食多样性下降，主要是由于水果、蔬菜、豆类和鱼类等营养食品的消费减少。有趣的是，印尼方便面的消费量从2021年的132.7亿份增加到2022年的142.6亿份，这使该国成为世界上最大的小麦进口国之一。尽管乳制品、鸡蛋和肉类等营养丰富的食物消费有所增加，但它们与心血管疾病风险上升相关，而印尼正面临心脏病发病率快速上升的问题。
4. 营养状况与转型问题
   过去二十年来，印尼的营养不良状况显著改善，但儿童发育迟缓率和消瘦率仍然较高，分别为21.6%和7.7%。印尼普遍存在饮食质量差的问题，导致维生素A、维生素D、铁和锌等微量营养素缺乏。同时，印尼正经历营养转型，从复杂碳水化合物、水果、豆类和蔬菜转向简单碳水化合物、脂肪和肉类，这与超重、肥胖以及非传染性疾病的增加相关，甚至使人们更容易感染COVID - 19。

三、印尼本地食物资源的重新定位

1. 面临的挑战与机遇
   确保粮食安全的挑战不仅在于生产，政府还应借助数据和技术改善粮食分配和获取，并基于先进研究发展粮食生产。特别是本地食物资源需要得到复兴，COVID - 19大流行提供了一个契机，促使印尼重新推动多样化解决方案，以确保粮食系统的可持续性。除了本地碳水化合物来源，本地水果和蔬菜作为维生素和矿物质的来源也必须融入粮食系统。
2. 本地水果的营养潜力
   研究团队对印尼本土和特有水果进行了研究。例如，对巴布亚岛的红树菠萝（Pandanus conoideus Lam.）果实的类胡萝卜素成分进行了评估，其果实提取物中的主要红色成分辣椒红素和辣椒玉红素含量高达92%，远高于红辣椒的62%。此外，对东爪哇卢马章摄政区特有的阿贡塞梅鲁香蕉（Musa paradisiaca L. AAB大蕉）的维生素A原类胡萝卜素成分进行了评估，与全球消费的卡文迪什香蕉相比，阿贡塞梅鲁香蕉的维生素A活性高出40 - 90倍，最高可达457.33 ± 5.18 μg视黄醇活性当量（RAE）/100 g干重。
3. 食物多样化的策略
   粮食及农业组织（FAO）支持将食物多样化作为应对粮食危机的干预策略。通过研究和投资，许多适应本地生态系统的印尼本土和特有植物有望得到进一步开发。这些食物生产植物为农民所熟悉，支持其在农林业系统中的发展有利于农民的生计、粮食安全和营养。印尼的粮食系统不仅有稻米文化，还拥有丰富多样的食物文化和实践，该国正在学习全面考虑食物、营养和环境，重视生物多样性和本地食物生产植物的多样性。

四、物联网（IoT）在农业中的发展趋势

1. IoT的发展历程
   物联网（IoT）的概念可追溯到一些构建其概念的元素。1982年，美国宾夕法尼亚州的可口可乐自动售货机开始使用互联智能设备；1990年，John Romkey推出了首个可通过互联网开关的烤面包机；1994年，Steve Mann设计了具有近实时性能的WearCam；1999年，麻省理工学院的Kevin Ashton被普遍认为是物联网的创始人，他以射频识别（RFID）为特征，使计算机能够连接到各种设备中的收发器。
2. IoT的定义与特征
   IoT技术是人类、计算机和事物之间的链接，其基本特征包括连接性、事物、数据、通信、智能、行动和生态系统。随着传感器、RFID、Wi - Fi、条形码、二维码、蓝牙等设备和技术的发展，IoT已广泛应用于汽车、交通、电信、医疗、物流、农业、智慧城市等多个行业。
3. IoT在农业中的应用
   传统农业以劳动力密集、手动测量土地和植物质量以及易受天气影响为特点。气候变化导致病虫害影响农业生产力，增加了减灾成本。而人工智能（AI）通过实时分析和机器自动化提升了农业生产的整体水平。

五、农业残留物替代化石燃料的潜力

1. 化石燃料的环境问题
   化石燃料燃烧会释放大量温室气体，如二氧化碳和氮氧化物。二氧化碳会导致全球变暖，氮氧化物会导致烟雾和酸雨。2015年，许多国家签署了《巴黎协定》，承诺减少碳排放，其目标是将全球平均气温升幅控制在工业化前水平以上2°C以内。但联合国环境规划署的报告显示，目前全球煤炭、石油和天然气的产量是2030年目标的两倍多，因此需要采取更多行动来遏制这一恶化趋势。
2. 生物质作为可再生能源
   生物质是可再生能源的一种，与化石燃料相比，其环境影响较小。生物质可来源于农作物、树木、农业和林业残留物以及各种有机废物流。它是一种清洁的可再生能源，其初始能量来自太阳，植物或藻类生物质可以在相对较短的时间内再生。如果树木和农作物得到可持续种植，它们可以通过呼吸作用抵消碳排放，在一些生物能源过程中，吸收的碳甚至超过了燃料加工或使用过程中释放的碳排放。
3. 油棕残留物的现状与问题
   目前油棕的大规模种植和生产导致生物质残留物大量增加。这些残留物如果堆积在地面上，会排放温室气体，如棕榈油厂废水每年每公顷排放7吨二氧化碳当量，空果串每吨排放230千克二氧化碳当量。随着可持续生产意识的提高，人们越来越关注利用生物质来减少温室气体排放。
4. 生物质利用的研究方向
   全球对生物质潜在利用的研究主要集中在堆肥、发电和生物乙醇三个领域。这些领域对于替代基于化石原料的产品（如合成肥料、燃煤发电厂和汽油）至关重要。许多先前的研究已经对这些领域的技术过程进行了梳理，并评估了替代现有产品的潜在环境效益。然而，需要将这些研究转化为更实用、用户友好的信息，以帮助相关利益者利用生物质。

六、现有油棕生产系统的IoT平台

IoT平台	开发者	描述
PalmSim	瓦赫宁根大学	估算油棕的潜在生长和产量
eCognition Oil Palm	Trimble Geospatial	分析航空数据并识别油棕树
PalmGHG	可持续棕榈油圆桌会议（RSPO）	计算油棕生产系统的环境方面
GHGCalculator	印尼可持续棕榈油（ISPO）	计算油棕生产系统的环境方面
油棕管理计划（OMP）	印尼Agrisoft系统	提供农业参数信息，如产量、肥料、气候数据、预算等
OWL种植园系统	Origin Wiracipta Lestari	涵盖种植、生产和分销的综合生产流程规划
油棕生物质利用和全球升温潜能值估算器（OPBUGE）	本研究作者	探索油棕残留物替代化石燃料的潜力并估算环境影响

食品分析、印尼本地食物资源与生物质利用的新进展

七、基于物联网的油棕生物质利用平台的提出

为了帮助利益相关者更好地利用油棕生物质，减少其对环境的影响，提出了一个基于物联网（IoT）的平台。该平台基于目前尚未充分开发的油棕残留物利用原型，将与其他可用工具集成。平台的构建考虑了生物质的理论转化，包括其营养成分（NPK）、纤维素 - 半纤维素 - 木质素含量和热值。理论转化参考了现有文献，用户可以根据现场或实验室数据对其进行修改。通过使用该平台，农民、工业从业者和政策制定者等利益相关者可以进行模拟，以探索生物质的最佳潜在利用方式，从而在未来减少环境影响。

八、平台的预期作用和意义

1. 助力可持续发展
   该平台的应用有助于推动印尼农业向可持续方向发展。通过模拟不同的生物质利用方式，能够找到既能有效利用资源，又能减少温室气体排放的最佳方案，符合全球应对气候变化的趋势。
2. 提高资源利用率
   对于农民和工业从业者来说，平台可以帮助他们更精准地了解油棕残留物的潜在价值，将原本可能被浪费的残留物转化为有价值的产品，如肥料、乙醇和电力，提高资源的综合利用率。
3. 辅助政策制定
   政策制定者可以利用平台提供的数据和模拟结果，制定更科学合理的农业和能源政策，促进生物质利用产业的发展，推动经济向低碳方向转型。

九、总结与展望

1. 研究成果总结
   - 在食品分析领域，微米级高光谱成像与先进分解方法的结合为无损分析带来了新的可能，有望在更复杂的食品和农产品分析中发挥重要作用。
   - 印尼本地食物资源丰富，但面临着农业生产转型、饮食多样性下降和营养问题等挑战。通过对本地水果的研究，发现了其巨大的营养潜力，食物多样化策略有助于解决这些问题。
   - 在生物质利用方面，农业残留物尤其是油棕残留物替代化石燃料具有很大潜力，基于物联网的平台为其有效利用提供了技术支持。
2. 未来发展展望
   - 对于食品分析技术，未来可以进一步拓展其应用范围，提高分析的准确性和效率，为食品质量和安全提供更可靠的保障。
   - 在印尼本地食物资源开发上，应加大研究和投资力度，推广本地特色食物，改善居民的饮食结构和营养状况。
   - 在生物质利用领域，继续完善基于物联网的平台，加强不同利益相关者之间的合作，推动生物质利用产业的规模化和产业化发展，为实现低碳经济社会做出更大贡献。

十、相关流程和操作步骤

1. 使用基于物联网的油棕生物质利用平台的流程

   • 步骤1：用户登录平台，输入油棕残留物的相关信息，包括营养成分（NPK）、纤维素 - 半纤维素 - 木质素含量和热值等。这些信息可以通过实验室检测或现场测量获得，也可以参考现有文献中的理论数据。
   • 步骤2：平台根据用户输入的信息，结合内置的理论转化模型，进行生物质利用的模拟分析。模型会考虑不同的利用方式，如堆肥、生产乙醇和发电等，并计算出每种方式的潜在效益和环境影响。
   • 步骤3：平台输出模拟结果，以图表和报告的形式展示不同利用方式的优缺点、预期产量和环境效益等信息。用户可以根据这些结果进行比较和选择。
   • 步骤4：用户根据模拟结果，制定具体的生物质利用方案，并在实际生产中进行应用。同时，用户可以根据现场反馈的数据，对平台中的理论模型进行更新和优化。

2. 食物多样化策略的实施步骤

   • 步骤1：开展本地食物资源的调查和评估，了解各种本土和特有植物的分布、营养价值和利用潜力。
   • 步骤2：制定宣传和推广计划，通过媒体、教育机构和社区活动等渠道，向公众宣传本地食物的营养价值和文化意义，提高公众对本地食物的认知度和接受度。
   • 步骤3：建立本地食物的生产和供应体系，鼓励农民种植和养殖本地特色食物，支持相关企业进行加工和销售，确保本地食物能够稳定供应市场。
   • 步骤4：将本地食物纳入学校、医院和公共食堂的食谱中，引导消费者养成食用本地食物的习惯，促进饮食结构的改善。

十一、相关表格和流程图

表格：不同生物质利用方式的比较
| 利用方式 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
| — | — | — | — |
| 堆肥 | 增加土壤肥力，改善土壤结构 | 生产周期长，占地面积大 | 农业种植 |
| 乙醇生产 | 可再生能源，减少对化石燃料的依赖 | 生产工艺复杂，成本较高 | 能源领域 |
| 发电 | 提供稳定的电力供应，减少碳排放 | 需要专业设备和技术 | 能源供应 |

mermaid流程图：基于物联网的油棕生物质利用平台使用流程

graph LR
    A[用户登录平台] --> B[输入油棕残留物信息]
    B --> C[平台进行模拟分析]
    C --> D[输出模拟结果]
    D --> E[用户制定利用方案]
    E --> F[实际应用并反馈数据]
    F --> G[更新优化平台模型]

通过以上对食品分析、印尼本地食物资源和生物质利用的研究和探讨，我们可以看到这些领域在未来具有广阔的发展前景。通过不断的技术创新和政策支持，有望实现食品质量提升、粮食安全保障和低碳经济发展的多重目标。