创新趋势|2022农业科技和食品创新的新机会方向

农业科技
2022年 农业科技 新趋势涉及精密农业、农业机器人和自动化、受控环境农业和农业生物技术等颠覆性技术和种植方法可以提高农业生产力和可持续性,以及乳制品和蛋白质替代品以及减少食品浪费技术等食品创新可以推动农业实践的转变,减少该部门的负面外部性,并有助于缓解粮食不安全。

农业科技(AgTech)和食品创新(Food Innovation)在促进向更可持续的生产和消费模式转变方面发挥着核心作用。

对于许多消费者来说,农产品价格上涨和卫生纸售罄是供应链压力最大的体现。输入、中间过程和输出似乎是分段的和遥远的。不过,对于其他人来说,生产和消费之间的联系是显而易见的,尤其是在涉及农业和食品方面。这通常表现为粮食不安全——7.46 亿人,即全球人口的 16%,曾一度无法获得足够的食物。由于极端气候导致农作物枯萎和农业收入减少,生计丧失也感受到了这一点,部分原因是曾经使它们蓬勃发展的做法。幸运的是,农业科技和食品创新提供的解决方案可以弥合生产和消费差距,同时还可以减少气候变化和环境退化等外部因素。

在以下文章中我们探讨了 AgTech 和 Food Innovation 如何帮助解决可持续生产和消费等式的两面。

关键要点

  • 涉及精密农业、农业机器人和自动化、受控环境农业和农业生物技术等颠覆性技术和种植方法可以提高农业生产力和可持续性
  • 乳制品和蛋白质替代品以及减少食品浪费技术等食品创新可以推动农业实践的转变,减少该部门的负面外部性,并有助于缓解粮食不安全

现代农业包含多个系统,这些系统通过植物和牲畜种植的共同主线联系在一起。最重要的是农业生态系统,或改变“以生产供人类消费和加工的食品、纤维和其他产品”的环境,以及与农业生态系统重叠但也包括产品分配和食品消费的食品系统。正是在这些系统中,颠覆性创新可以对更可持续的生产和消费产生有意义的变化。在本节中,我们将研究 农业科技 在这一转变中的重要作用。

通过精准农业提高效率

无数变量影响田间和收成之间的作物产量和质量。在一个田地上种植的作物可能需要肥料、农药或其他投入,而在另一个田地上种植的作物可能不需要。传统的农业实践难以跟踪和调整这些变量,这可能导致资源使用效率低下和产量不理想。这就是精准农业发挥作用的地方。

精准农业寻求最大限度地提高作物产量和质量,同时保护水、化肥、农药和劳动力等投入。关键是物联网(IoT)和人工智能(AI)。有了这些技术,农民可以监测和满足特定作物和牲畜的确切需求。这个概念被称为可变速率应用程序(VRA)。它是如何工作的?连接的传感器记录和传输有关土壤水分/营养素水平、土壤酸度、吸水性、植物/牲畜健康、天气等数据。然后,人工智能使用这些信息以及GPS数据,为农民或农业机器人生成准确的指令。在实践中看到:

  • 农民的 John Deere See & Spray 机器使用其RGB相机来观察和传输周围环境的数据。支持人工智能的软件处理来自相机的数据,并将作物与杂草区分开来。然后,它会生成仅喷洒杂草的说明,这可能会将除草剂的使用减少77%。
  • 农民使用卫星成像服务来频繁捕获农场的图像。人工智能处理这些图像,并确定一个田地上的作物比另一个田地上的类似作物更小,绿色更少。农民将这些信息与土壤数据一起使用,以确定相关作物的最佳行动方案。
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对于需要喂养的不断增长的全球人口来说,这种精确度是必要的。对农产品的需求正在增加,一些人估计在2012年至2050年期间高达50%,很容易低估传统农业实践的资源强度和对环境的负面影响。农业系统占世界无冰和无沙漠土地的43%,占全球淡水提取量的近2/3和温室气体排放量的18.4%。

一直以来,很大一部分作物从未离开农场——据估计,美国16%的重量计算食物浪费,占产品150亿美元,发生在农场。其中大部分可以归因于因疾病、害虫和其他因素而损失的作物,尽管未收获或处置的过剩作物也应受到责备。许多农民过度种植田地,以弥补损失和/或满足意想不到的需求,但随后销毁多余的作物,因为它是最实惠的选择。精准农业是解决这些低效率问题的可能方法,消除了浪费的猜测,并优化了农业投入和产出。

全球精准农业市场预计将从2020年的53亿美元增长到2026年的107亿美元,相当于12.3%的复合年增长率(CAGR)。我们预计,随着利益相关者努力尽量减少低效率和负面外部性,对农产品日益增长的需求和对更可持续生产方法的迫切需要将长期推动这一增长。精准农业驱动的收入和长期成本节约潜力可能会激励生产者采用,特别是在规模经济压低前期成本和技术进步引入新能力的情况下。消费者和工业物联网的采用以及5G网络的推出代表了这些目标的部门间顺风。

在农业环境中使用机器人和自动化

传统的农业工作形象是困难的体力劳动。然而,今天,这种描述正在逐渐消失在古代。最近机器人和自动化流程在农场的扩散意味着农民越来越多地从控制面板后面照料他们的田地。通过设计,这些技术提高了农业劳动生产率,并有助于保护农业投入,特别是当与精密农业技术一起实施时。

农业机器人有多种形状,用途多种多样。例如,用于作物种植的机器人通常以自动驾驶拖拉机和自主耕作工具的形式出现,这些工具要么内置在此类车辆中,要么被拖到后面(无论拖拉机是否是自动的)。这些机器人使用视觉传感器、人工智能和GPS数据,根据精密农业系统和/或生产者的指示自主导航和完成任务。典型的任务包括耕作、割草、牵引和作物监测,尽管一些机器人具有专门的手臂和夹持器,允许他们修剪和收获作物。总部位于佛罗里达州的初创公司 Harvest CROO 由超过 70% 的美国草莓行业投资,开发了一种草莓采摘机器人,该机器人使用视觉传感器和人工智能识别成熟的浆果及其96只采摘爪来收获它们。农业无人驾驶飞行器(UAV)或无人机也可以帮助种植。无人机自主导航天空,生产商最常使用它们播种,向杂草喷洒除草剂,并从上面监测作物。

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种植机器人仍处于采用的早期阶段,但随着它们变得更实惠,技术进步提高了他们的能力,生产者正在迅速转向它们。我们预计,随着全球农业劳动力短缺和人口老龄化推动采用和规模经济,这种情况将继续下去。随着生产商寻求从端到端优化运营,与精准农业的协同作用可能会推动进一步的需求。此外,该行业有成功采用自动化技术的历史——乳制品机器人是25年前推出的,今天仍在增加使用。根据一些预测,到2026年,农业机器人市场可能会达到211亿美元,高于2020年的54亿美元,相当于25.5%的复合年增长率(CAGR)。

在受控环境中种植作物

受控环境农业 (CEA),也称为室内农业,正在彻底改变农业的竞争环境。CEA 被定义为在受控环境结构内种植植物及其产品。这些结构包括垂直农场,这是一种以垂直排列的作物堆垛为特色的室内农场;集装箱农场,即装在集装箱内的室内农场;温室;和微型农场。作为 AgTech 的一个子主题,CEA 包括旨在优化受控环境中的植物或鱼类养殖并减少对农业投入的需求和使用的技术和系统。

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CEA 挑战了农业只能在土壤或天气合适的地方进行的观念。有了 CEA,生产者几乎可以在任何地方种植优质食品,从恶劣气候的仓库到城市地下室。这可能会促进当地经济,并最大限度地减少通常归因于运输、过度包装和防腐剂的浪费和负面环境影响。但最重要的是,它使养活不断增长的全球人口变得更加容易。如前所述,世界上大部分无冰和无沙漠土地用于农业——我们正在耗尽空间,CEA 提出了减缓这一趋势的直接解决方案。

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CEA 方法还可以帮助减少农业在全球水危机中的作用。如前所述,目前的栽培方法非常耗水。垂直农业是一个直接的解决方案,比传统农业方法需要的水少 95%。17这是设计使然。垂直农场的堆叠和闭环特性意味着水不断被回收,任何多余的水都被其他植物消耗而不是径流。由于垂直农业发生在室内,因此几乎不需要杀虫剂和除草剂。农药和农用化学品是美国第五大用水密集型工业子行业,每生产 1 美元需使用大约 30 加仑的水。

尽管全球 CEA 市场还很年轻,户外农业仍然生产大部分植物性产品,但我们预计 CEA 将在未来十年获得可观的市场份额。为什么?CEA 的可持续性和潜在的经济效益是齐头并进的。从长远来看,CEA 可以提高生产商的利润。更少的投入、更多的发展空间和更少的中介机构应该可以降低成本。在收入方面,执行 CEA 的生产商可以受益于全年生产、更多的作物周转、更长的产品保质期、更少的召回和更高的营养(这可以提供收入溢价)。

虽然长期前景看起来很光明,但 CEA 必须首先克服几个障碍,包括设施成本、有限的产品目录和不一致的生产。然而,我们对该领域的投资增加感到鼓舞,并预计新的资金将有助于 CEA 克服这些障碍。2020 年,风险投资 CEA 融资总额为 9.29 亿美元,是 2019 年筹集金额的 2 倍多。

利用生物技术加强农业过程

生物技术的最新进展也显示出加强农业实践的前景。特别值得注意的是农业基因组学,最好将其定义为使用来自生物体基因组的信息或完整的遗传信息集,以提高作物和牲畜生产的生产力和可持续性。21在过去的二十年里,基因组测序的成本呈指数级下降,使得今天的常规和大规模测序工作和应用成为可能。在医疗保健领域,供应商和制药公司使用基因组数据来治疗患者并精准对抗疾病。例如,基因编辑依赖于从测序中收集的信息来靶向和编辑导致疾病的基因组特定部分。

农业应用非常相似。一方面,基因组测序为希望传递与水、养分和光照需求相关的性状以及影响作物产量和抗病能力的生产者提供更有目的性和精确性的植物育种。生产者可以使用基因组测序来确定哪些基因和/或基因组合最适合他们的目的,并相应地培育他们的作物。或者,生产者可以应用医疗保健中使用的相同基因编辑技术来创造和批量生产具有最佳种植和使用特性的设计作物。这些做法已经被研究人员成功采用。显着的成果包括基因编辑水稻以使谷物更大更重;编辑作物以诱导对特定病原体的免疫力;改善西红柿、玉米、土豆等的营养成分;编辑非粮食作物,使其生产出更有价值的化合物,用于生产纸张、燃料、塑料等。

替代食品和减少废物技术的创新正在从端到端积极破坏食品系统。从自身发展开始,这些发展正在改善粮食消费的可持续性。它们还与AgTech协同作用,将高产量作物用作食物,同时减少浪费的农业产出和有害的外部性。在本节中,我们来看看其中一些创新。

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蛋白质和乳制品替代品进入主流(并变得更美味)

纵观历史,人们消费蛋白质和乳制品替代品作为独特的植物性食品或肉类和乳制品替代品,以符合宗教饮食法。椰子奶和杏仁奶长期以来一直是各种美食的主食,而豆腐等以大豆为基础的菜肴可以追溯到几千年前。20世纪,这些产品的市场在不断扩大的素食运动和其他饮食限制的背景下增长,尽管规模不足以破坏现有的食品系统。但今天,范式转变已经在进行中。

正如我们所讨论的,在自然资源日益减少、对自然资源的需求不断增长以及我们星球的气候变得越来越不适宜居住的时代,全球人口正面临着日益严重的粮食不安全问题。具有讽刺意味的是,我们的食品系统首当其冲地受到各方的指责。食品生产资源极为密集,肉类和奶制品是罪魁祸首。与畜牧相关的生产使用了所有农业用地的 80%,其中牧场占据了近 85%。用于种植动物饲料的土地占牲畜用地的剩余部分,约占用于种植粮食的所有农业用地的 43%。更进一步,牲畜消耗了全球作物提供的热量的 36%。

这些做法不仅仅是将资源使用推到极限——它们降低了可能的极限。最近的一项研究发现,粮食系统排放了大约 21-37% 的全球导致气候变化的温室气体 (GhG)。26这对粮食生产具有重大影响——另一项研究发现,气候变化在 1961 年至 2015 年期间使农业生产力降低了约 21%。预计到 2050 年粮食需求将增加多达 50%,目前的系统显然不可持续并且必须重新绘制。

乳制品和蛋白质替代品可以作为解决方案。如果整个世界都转向纯素饮食,农业用地可能会减少约 75%。虽然极端,但这个说明性示例引入了一系列有趣的逻辑。牲畜是热量中介:动物消耗植物获取卡路里,然后我们也消耗动物产品获取卡路里。在这个生命循环的中间是牲畜生活和生长过程中损失的卡路里。例如,牛肉食品仅含有 1.9% 的通过动物饲料输入的卡路里。日记和蛋白质替代品完全跳过了这种低效率。

今天的蛋白质和乳制品替代品比过去得到了更多的采用。它们仍然主要以植物为基础——替代乳制品主要由大豆制成;杏仁; 椰子;白饭; 最近,燕麦提取物,而豌豆、豆类和大豆等富含蛋白质的植物则是大多数替代蛋白质的基础。但由于更加强调健康和可持续价值,它们比以前更美味、更多样化。国际食品信息委员会 (IFIC) 最近的一项调查发现,如果了解环境影响,53% 的美国消费者会改变他们的食品选择,大约 80% 的美国消费者认为植物性食品对环境的负面影响要小得多比那些肉。它还报告说,超过 40% 的消费者认为以植物为基础的产品更健康。

除其他外,这些情绪似乎正在推动植物替代品的快速销售增长。2020 年美国植物性食品销售额总计 7B 美元,同比 (YoY) 销售额增长 1.5 倍至 27%。食品尤其领先:植物性鸡蛋销售额同比增长 168% 至 2700 万美元,而植物性肉类销售额同比增长 45% 至 1.4B 美元。植物性乳制品也有强劲的一年。植物奶和其他乳制品的销售额分别增长了 28% 和 20%。我们预计植物性食品销售将继续保持高速增长,尤其是随着可持续发展在全球优先事项列表中的上升。

未来的替代食品市场可能会提供比植物性食品更丰富的产品。替代食品还包括由非植物成分组成的产品,尽管其中许多还处于起步阶段。由昆虫和真菌制成的蛋白质替代品可能是最先进的。许多人可能会发现这种做法不规律,但全世界已经有超过 2B 人吃昆虫来获取蛋白质。昆虫几乎不需要土地和水,排放的温室气体非常少,是非常有效的热量中介,并且产生的废物非常少。到目前为止,可供消费者使用的昆虫替代品有限,但巴克莱估计昆虫蛋白市场到 2030 年可能达到 8B 美元。

由真肉制成的实验室培育替代品也显示出前景,但处于早期阶段。生产这些替代品包括从活体动物身上提取细胞培养物,并使用生物反应器将它们培养成可食用的肉类。这个过程目前成本太高,无法大规模全面实施,但近年来成本下降了 99%。2020 年,实验室培育的肉类资金同比增长 510% 至 3.5 亿美元,我们预计成本将继续下降到大规模采用可行的程度。麦肯锡公司预计,如果一切按计划进行,到 2030 年,实验室培育的肉类市场可能达到 $25B。

成本竞争力和采用是替代食品扩大规模的主要障碍。正如我们在最近的 CleanTech 文章中所讨论的,CleanTech:一切都与规模有关,实现规模是先有鸡还是先有蛋的问题。替代食品公司需要资金来通过规模经济降低成本,但也需要资金来改进和营销他们的产品。不过,与 CleanTech 一样,替代食品也可以从必需品中受益。我们预计规模将因缓解粮食不安全、自然资源过度紧张和气候变化的需要而产生。尽管我们认为采用替代食品仍处于早期阶段,但我们看到增长的道路很长。据我们估计,替代肉类占国内肉类销售额的比例不到1%,替代牛奶仅占国内牛奶销售额的13%。

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用颠覆性技术减少粮食损失和浪费

除了农业食品生产中存在的低效率和密集的资源使用之外,全球粮食系统也是一种浪费。几乎 1/3 的生产食品未被消费,在食品系统的不同阶段丢失或浪费。不同的减少食物浪费技术可以帮助限制许多这些阶段的食物损失和浪费。

大约一半的食物损失发生在配送、储存和加工/包装过程中。食品供应链每年因运输和储存不当而损失价值 400B 美元的产品,食品因物流不畅而丢失,并由于管理不善或冷链有限而变质。物联网和区块链等颠覆性技术有助于减少这些损失。物联网传感器和标签可以监控温度和腐败等因素,以标记不一致并通过资产跟踪改善物流。区块链可以通过在分布式分类帐中记录跟踪和其他数据来补充跟踪工作,该分类帐引入了跨供应链的完全透明性。这为物流供应商提供了对其配送运营的准确实时洞察。这些技术还允许供应商微调他们的流程,通过识别食物变质或丢失的地点和时间来潜在地补救食物损失。这样的改进每年可以减少 330 万吨的食物浪费,节省 8.4B 和 528B 加仑的水,同时还可以减少排放。

先进技术也可以帮助节省下游食品。零售商经常对旧食品进行打折,以期在易腐产品过期前出售。尽管如此,杂货店每年仍会扔掉 43B 磅的食物。物联网和人工智能可以通过实施传感器记录新鲜度数据来减轻部分损失,人工智能可以使用这些数据提供更动态的定价并减少库存过剩。

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随着全球人口到 2050 年达到 10Bn,如果不采取任何缓解措施,粮食损失和浪费只会增加。不过,我们很乐观。减少浪费将具有显着的上游效益,自然会减少粮食系统带来的现有负面外部影响,并可能解决粮食不安全问题。根据粮农组织的一项研究,粮食损失和浪费减少 50% 可以将农业带来的环境压力减少 6-16%。这对公共部门的决策者来说应该是足够的激励,但私营部门也参与其中。上述显着节省可以提高盈利能力,并激励食品生产商、物流供应商和零售商减少他们在食品损失和浪费中所占的份额。

气候变化、粮食不安全和水资源短缺是当今世界面临的最严峻挑战之一。它们通过自然系统和循环相互关联,但也通过它们对人类的影响以及人类活动如何使它们延续下去。农业和粮食系统位于这个交叉点。虽然这确实意味着人类的许多问题都是自我引发的,但这也意味着这些问题的解决方案同样可以自我导向。农业科技和食品创新为我们提供了有效应对这些危机所需的工具。我们相信,对这些领域的投资可以让投资者参与向更可持续的未来转变,同时利用颠覆性技术和提供这些技术的公司的潜在成功。

农业科技子主题

  • 精准农业:用于提高作物产量和减少传统农业投入(土地、水、化肥等)水平的技术,以更有利可图/更有效地种植作物。
  • 农业机器人/自动化:用于减少劳动力和其他农业投入的技术。
  • 受控环境农业:优化植物和/或鱼类养殖并使用受控环境来减少农业所需投入的类型和/或数量的技术和系统。
  • 农业生物技术:用于提高农业种植和产量的生物/遗传技术。

食品创新子主题

  • 蛋白质和乳制品替代品:含有来自植物、昆虫、真菌或组织培养的富含蛋白质成分的产品,可替代肉类和奶制品等传统动物性蛋白质来源。
  • 减少食物浪费:旨在减少供应链中食物浪费的技术和/或系统。

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