簡介農糧食品科技新趨勢

導讀
本文盤點國際趨勢報告相關農糧食品科技趨勢,透過農業價值鏈的分析方式,歸納為育種/糧食替代、栽種/養殖系統、食品生產與包裝、非糧食應用與跨產業科技與應用之導入等類型,並就此五大面向進行相關科技趨勢與我國發展現況的初步研究,期透過科技創新相關能量之建構,協助台灣農業開拓不一樣的未來。
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一、前言

台灣的農業在早期經濟發展扮演重要的角色,並具有小農經營之特色,時至今日,農業的發展逐漸面臨重大的挑戰。根據農委會的資料,我國農業在未來面臨的挑戰包括:(1)人力面向的農業人力老化與農業經濟缺工的問題;(2)土地面向面臨耕地面積細碎化、氣候變遷加劇與自然資源枯竭等挑戰;(3)產業面向則是需要持續面對貿易自由化下的全球競爭、糧食安全以及食品安全等的問題,因此,推動新農業創新推動方案,希望可以對於相關挑戰有所因應(行政院農業委員會,2016)。

為了因應這些挑戰,2016年的新農業創新推動方案已規劃相關政策措施;例如在人力面向希望透過農民專業化培育養成以及成立勞動力專責機構等措施來因應農業人力老化與農業經濟缺工問題;在土地面向,則是透過強化農業銀行與實施農業保險等措施來回應耕地面積細碎化及氣候變遷加劇之問題;在產業面向,則是規劃透過增加農產品內外銷多元通路、大糧倉計畫與執行食安五環來回應農業全球競爭、糧食安全以及食品安全等問題(行政院農業委員會,2016)。除了上述一般政策措施外,如何透過科技創新相關能量之協助,讓農民的工作可以跳脫未來面臨的諸多挑戰同時能夠提高所得,讓更多新血願意投入農業領域,以使台灣農業開拓不一樣的未來,已成為農業未來方向規劃上特別需要重視與思考的方向。

二、農糧食品科技趨勢

本文整合美國國家情報委員會與The World Government Summit針對農糧食品相關新興科技趨勢研究(Office of the Director of National Intelligence, 2015; Clercq et al., 2018),透過農業價值鏈的分析方式,將其認為未來20年內重要的農糧食品科技項目,歸納為育種/糧食替代、栽種/養殖系統、食品生產與包裝、非糧食應用與跨產業科技與應用之導入等類型。本文就此五大面向進行相關科技趨勢與我國發展現況的初步研究。

圖1 農業價值鏈上的新興科技與應用

(一)育種/糧食替代

1.分子標記輔助育種

主要是利用基因科技方式來發掘植物或動物特定性狀(想要/不要)的基因來源,透過選擇性育種方式發展出改善的品種(Clercq et al., 2018)。利用標記輔助育種方式相較傳統育種方式,可以在較短時間內產生較好的品種,故在因應氣候變遷環境變化,以及社會對於基因改造作物仍有疑慮之下,以此種方式進行抗乾旱或抗鹽化作物之育種顯得具有潛力。

此外,分子標記輔助育種也受惠於基因定序及比對的成本下降,市場對於能夠抵禦嚴苛環境植物與動物的需求提高,但瓶頸則是開發新植物的成本仍較傳統育種與基因改造方式為昂貴(Clercq et al., 2018)。

而在台灣,分子標記輔助育種台灣已經累積十多年的研究成果,例如農委會下之種苗改良繁殖場便利用分子標誌輔助花椰菜雜交育種,以縮短新品種育成的人力與時間(張惠如、鍾文全,2017)。

2.新基因改造技術 — 基因編輯

主要是利用基因編輯工具,提供快速且較精準方式,在生物體內基因組中改變特定基因序列,或在特定位置插入基因,進而產生想要的動植物品種。傳統基因改造主要是以新增基因為主,大多依賴隨機的成功機率,因此基因改變的結果較不可控制;相對而言,基因編輯則是可以較傳統基因改造更為精準的加、減基因。以CRISPR技術(叢集有規律間隔的短迴文重複序列,Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)此一基因編輯工具來說,原本是源自細菌體內免疫系統的一項機制,利用此項機制,可以降低原本基因改造的隨機性,提高基因序列改變的可控性(歐宇甜,2019)。該技術除了可以創造改良的品種並增加對不利環境的抵抗能力之外,也可用於繁殖含有身體必需維生素、營養物和礦物質的農作物,或用於產生基因改造的動物食品(Clercq et al., 2018)。

目前中國與日本皆有利用基因編輯技術進行水稻之改良之案例(王菱妮,2017)。而近期亦有智庫進行基因編輯技術在農業相關領域之發展與效益評估研究(賀端華等,2018)。

3.藻類原料

養殖藻類做為原料主要是可以作為魚類飼料或作為魚粉替代品(以藻類替代飼料內魚粉的營養源)。此外,藻類能夠提供較為可靠的來源飼料,不像魚類受到捕捉成功與否之影響,因此可以替生產者在成本上提供更大控制權和預測未來投資或財務回收,降低水產養殖業的風險(Clercq et al., 2018)。

目前台灣在藻類的研發,利用二氧化碳排放再利用於微藻養殖,並讓微藻用於魚類飼料或是萃取高價保健食品原料等(張嘉修等,2015)。

(二)栽種/養殖系統

1.垂直農場/都市農業

主要是以類似摩天大樓作為溫室以形成封閉式的垂直農耕空間,而大樓通常會由太陽能供電,使用水栽和霧培方式種植,並且回收所有使用的水和廢棄物。垂直農場的優點主要是可以在任何地方建造,包括沙漠或城市地區,並可達到傳統農業產量20倍,而用水可減少95%(Office of the Director of National Intelligence, 2015)。

減少的水資源和土地,以及增加的糧食消費需求可能會助長垂直農場的需求;但是垂直農場應用的瓶頸為溫室的建築與自動化成本,特別是對於能源需求高,因此除非再生能源可以被納入設計中,否則能源效率可能會是一項問題。

垂直農場過去在台灣被稱作植物工廠,一般會整合LED以及自動化系統 (魏得軒,2017),過去一直有進行植物工廠的相關研發,但因生產設施費用高,所以只能用於生產高附加價值的植物(高德錚,2012)。

2.開放海洋系統

開放海洋系統主要是在公海利用大型箱網或圍網結構來養殖漁類,這些系統可以是自由漂浮、固定在結構上、繫泊於海底或由船隻拖曳。鑒於近年捕撈魚量停滯、過漁以及漁類需求增加,因此使水產養殖方式逐漸興起。因為海洋佔有地球的大部分面積,透過此種方式可以改變人類生產糧食的方式。而傳統水產養殖系統難以養殖外海(open ocean)魚類。但是如果要面臨比較嚴酷的天候,則需要能對大型海上設施進行環境調適之設計,透過機械化盡量減少人員在海上的活動,但又能持續監測環境條件和魚類行為與健康(Office of the Director of National Intelligence, 2015)。

我國則是很早就投入箱網養殖技術,並以海鱺、石斑、等高經濟價值之魚類為主(陳汾蘭,2001)。近年則是有人倡議讓離岸風電基座與箱網養殖設施共構,共同創造商機(陳宗慶,2017)。

3.人造肉

人造肉目前有兩種型式,一種是以植物性蛋白為原料,用以模仿真正肉類的味道和營養成分的「素肉」。最近國內已經有代理推出相關產品(程倚華,2019)。

第二種方式則是取出動物實際特定細胞(如肌肉細胞)部分以供給營養物的方式進行大量培養,產生食用肉類產品,又稱做試管肉或是人工肉(Lydia, 2019)。主要廠商有美國加州Memphis Meats 以及荷蘭的MosaMeat等。主要可以對糧食安全、環境永續,動物跟食物相關的疾病,還有動物福祉相關議題提供解決方案(Clercq et al., 2018)。

(三)食品生產與包裝

1.3D列印食品

利用3D列印(又稱為積層製造)為工具來生產食物,主要是將藻類、浮萍和草等來源的水膠體做為列印機的材料,用來取代食品基材。例如荷蘭研究機構開發了一種方法來列印微藻類(蛋白質的天然、碳水化合物、色素和抗氧化劑之來源),並將這些配方轉為可食用食品,像是胡蘿蔔(Clercq et al., 2018)。

3D列印食品的好處在於,例如對於咀嚼能力不佳的老人,可以做為營養提供的替代途徑。也可以提供需要特殊營養(如軍人)作為食品來源(姚念周,2017)。

台灣則是曾有廠商發布一款3D食物列印機,主要是設計為糕點食物所使用(黃宜稜,2016)。

2.生物塑膠永續包裝

近年塑膠的過度使用已經造成海洋污染及其他的環境問題,再加上外送平台興起,許多團體擔憂廢棄包裝材料會大量暴增。其實過去長期20多年以來將容器朝向循環利用或是生物可分解方向一直是國際研發重點,但是至目前為止仍無法完全替代現有塑膠提供的包裝功能,並提供一樣的耐用性跟保存期。

國外一家叫做TIPA的新創公司則是希望能夠創造出等同蔬菜或水果的可堆肥或回收的包裝,並運用在現有的食品包裝程序上(Clercq et al., 2018)。

台灣近年在生物可分解塑膠的表現上讓國際注目,包括有企業提供星巴克生物可分解塑膠吸管(呂國禎,2019),以及以玉米澱粉製作生物可分解及可堆肥塑膠粒,埋在土裡三個月可以分解(呂明潔,2019)。

(四)非糧食應用

1.纖維素乙醇(纖維素酒精)作為生質燃料

纖維素乙醇是屬於第二代的生質燃料,主要從農業或森林廢棄物,或是從城市廢棄物作為燃料來源,期望可以透過下世代的科技,將糧食以外的生物質轉化為生質燃料或化學品,降低使用糧食來源的生質燃料對於大宗糧食市場的干擾。

纖維素乙醇來源的生質燃料需求,其實會取決於油價高低,或是政策上對於降低對原油進口依存度之力道。但是在放大規模至商業製造上則需要考慮資源的規模性,並可能面臨技術與財務風險,而像是新一代的油電混合或電動車、氫能燃料電池汽車等,都會抑制對於傳統燃料或生質燃料之需求(Office of the Director of National Intelligence, 2015)。

台灣則是在10多年前開始發展纖維素乙醇做為生質燃料相關技術,例如成功大學曾發展將芒草製成纖維素酒精的研究(泛科學,2012)。核能研究所也曾進行纖維酒精量產技術研發(黃文松,2013)。

2.分子農場

分子農場主要是透過基因轉殖等基因改造方式,讓植物可以生產醫藥品或是化學品(余淑美,2007),達到類似生物反應器的功能。

分子農場的概念大致可以回溯到90年代後期,且當時陸續已有相關研究計畫進行。而農委會的「生技領域」科技前瞻策略規劃報告中,則是將分子農場視為生技領域之國際文獻分析結果與發展策略建議下,最有希望的議題(行政院農業委員會,2011)。

中央研究院目前則是有植物分子農場相關技術授權公告,如利用水稻 glutelin 基因啟動子在植物懸浮培養細胞生產外源蛋白質 (中央研究院,2018)。而以政府研究資訊系統中(https://www.grb.gov.tw/)檢索近年與分子農場相關的研究,包括研發可以產生抗高血壓胜肽的水稻分子農場(李長沛,2019)、利用菇類分子農場產生諾羅病毒的食用疫苗(黃慶璨,2018),或是利用浮萍細胞量產重組的吳郭魚生長激素,加以應用於白蝦功能性飼料中等(吳宗孟、劉俊宏,2017)等。

(五)跨產業科技與應用之導入

1.精準農業

精準農業(precision agriculture)是根據作物實際的需求,對田間投入物質的最佳化管理,主要會牽涉到數據相關的科技,包括像是衛星定位系統(如GPS全球定位系統、遙感和互聯網),以管理作物並減少肥料、農藥和水等的使用(FAO, 2015)。透過發掘區域內如土壤品質、水資源與排水模式等各個因子改變狀況,來調整種植、收穫和管理策略來應對這些變化。透過精準農業管理策略,則是可以提高作物產量或減少種子、肥料和除草劑等昂貴投入(Office of the Director of National Intelligence, 2015)。

精準農業推動的發展潛力在於,如果耕作區域變大,更需要了解農地之間的差異性以及這些差異性對於作物產量形成的影響;此外,衛星導航系統價格逐漸變得可負擔,以及有各式資通訊科技可以用於產生、更新與運用客製化田野地圖。不過,目前精準農業大半應用於大規模產業農業操作實務,包括要利用先進的農用車輛、自動化導引和應用系統,因此仍需要降低這些設備的大小和成本,才能有利於台灣小農規模的土地上運作(Office of the Director of National Intelligence, 2015)。

各式與精準農業相關的新興科技包括:

(1)物聯網

物聯網是由實際的物體,如手機、平板、車輛、家用電器等等,經由嵌入式感測器和應用程式介面(API),經由網際網路形成的訊息連結與交換網路(SAP, 2019)。而物聯網應用於農業則是可以利用佈建微型感測器方式,提供結構化與非結構化數據,作為糧食種植的相關情資回饋(Clercq et al., 2018)。

在物聯網於台灣的農業應用,已經開始有許多農場作為實驗場域,並利用於類似水果授粉管理等用途上(科技部,2019)。

(2)數據分析

主要是利用氣候、種子、土壤品質、疾病機率、歷史數據、市場趨勢以及價格等各種資訊,進行一般性或是關聯性分析,藉以可以提供給農民,做出更明智的栽種管理決策(Clercq et al., 2018)。

農委會的智慧生產與數位服務產業共通跨域關鍵技術應用架構(以設施型農作為例)已於2016年規劃提供建構大數據分析共通平臺,形成從感測→監測→決策→自動回饋的迴圈系統(楊智凱等,2016)。

(3)無人機

無人機是一種飛行載具,早期以軍事用途為主,預估在各種不同產業應用的價值可以高達1270億美金(Carnettte J., 2016)。無人機本身可整合不同技術而產生不同的應用可能,包括物聯網感測器、先進電池技術(如利用太陽能)、GPS定位技術、圖像處理及高解析鏡頭、機身維修配件3D列印以及人工智慧技術等(張小玫,2016)。無人機在農業的應用,包括可以協助土壤跟土地分析、栽種、農藥噴灑、植物監控、灌溉以及植物健康評估等(Clercq et al., 2018)。

在台灣,行政院已選定台南市做為推動智慧農業的先行試點,導入無人機智慧農噴的國家級測試計畫,將自動化無人載具、物聯網技術,以及人工智慧的大數據分析加以整合(科技新報,2019)。

(4)區塊鏈

區塊鏈技術為一種具有分散式架構的資料運算與帳本記錄平台,讓網路參與交易的各節點可以透過分散式記帳,執行共同紀錄、確認甚至共享區塊鏈內的交易資訊;資料變更時間戳記及密碼加密則可防止資料被抹滅或竄改,提高紀錄的可靠性(林海珍,2019)。因此,透過區塊鏈的協助,可以用於提升效率和降低詐欺行為,來改善食品安全、農民薪資和交易時間。利用區塊鏈改善農業生產供應鏈的可追溯性,可以使管理機構在有污染事件發生時,快速識別受污染的食品源和受影響的產品範圍(Clercq et al., 2018)。

在農業相關的應用上,已經有生產池上米之農民應用區塊鏈技術在生產履歷(高敬原,2019);此外,亦有學研單位投入研發在人工智慧物聯網的區塊鏈產銷服務平台(科技部,2019)。

(5)奈米科技

主要是讓以奈米方式包覆之肥料、殺蟲劑或是除草劑微粒,可以透過緩慢且持續的方式被釋放與傳輸到植物上,使得其獲得精準的劑量,並與先進的生物感測器搭配,協助達成精準農業目的(Clercq et al., 2018)。透過奈米科技可以達成精準地給予作物農業化學品,改善過去大半都不是被植物吸收而是擴散到環境,甚至造成環境影響。

而花蓮農改場於2016 年利用花蓮地區二期作水稻臺稉4 號,運用奈米等級之碳酸鈣矽微粒(簡稱奈米鈣矽),進行田間試驗之病蟲害防治(農業知識入口網,2017)

(6)人工智慧

人工智慧是電腦科學的一個領域,主要是協助解決人類智慧相關的認知問題,像是學習、解決問題與模式的辨識。利用機器學習或是深度學習等技術加上大量資料的提供,便可以讓人工智慧協助執行像是語音辨識、電腦視覺以及專家系統等(Amazon Web Services, 2019; Inside, 2016)。在農業的應用,像是運用於無人機上,可以收集影像進行分析判斷;此外亦可以將人工智慧內嵌於聊天機器人,提供農夫農業問題解答之查找等(Clercq et al., 2018)。

例如,科技部目前投資研發具有動態視覺的無人機,可以協助判斷水果成熟度或是病蟲害等,進而可以更為精準的進行農藥噴灑(科技部,2019)。

2.食物共享與契作代耕(crowdfarming)

像是共享經濟和群眾外包(crowdsourcing)的概念也可以用於防止食物浪費,例如透過科技的協助,如手機應用程式等,社群可以共享其產品以及服務。此外契作代耕方式,透過預先約定的方式,也是讓民眾可以對農民耕種的產品擁有所有權,從而建構可以直接鏈接生產者和消費者的途徑,進而避免價值鏈上的生產過剩和浪費。同時,配合資通訊技術的發展下,生產端與消費端在資訊的流通與透明度更高,提高彼此的互信(Clercq et al., 2018)。

台灣從2010年開始在宜蘭已經有契作代耕(利用自然農法進行代耕)的案例,且有配合使用農委會開發的軟體進行即時記錄,進而完善耕地管理、田間作業、巡視功能,並且提供消費者可以加以追溯的資訊(農業知識入口網,2019)。

(六)結論

由前述的趨勢發展可知,國際發展的農糧食品新興科技,台灣多半已經進行相關研發與投入。然而,許多新興科技應用之早期資本投資多半較高,因此多半僅能以附加價值較高的作物為優先,對於一般與糧食安全相關的平價農糧作物,反而無法在開發初期直接受惠,進而更為應用普及化。因此在策略上,一方面應該鼓勵研究者與農民共同合作進行開發,讓技術可以快速調適落地外,二來也應著重開發以台灣小農特色為主之小而美的設備與科技,降低農民投資成本,提供農民應用新科技/新設備的經濟誘因,三者則是可以搭配開發新的商業模式與服務,使農民可以透過科技服務等方式避免過大的採購資本投資,進而使更多農場可以提早運用科技創新帶來的優點,進而能夠在未來共同因應農業發展面臨的重大挑戰。

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