食品の栄養成分に対するライフサイクル分析アプローチ

方法と結果の概要

食品生産に対する環境への影響を測定するための LCA 手法を使用して、38 種類の食品のリストからさまざまな栄養素の環境「コスト」を導き出しました。

研究中の食べ物。

食品 1 キログラムあたりの生産量に関する次のデータを使用しました。

• サプライチェーン全体からの GHG 排出量 (kg CO2e)
• 淡水取水量 (m3)
• 富栄養化排出量 (kg PO4e)
• 土地利用 (m3)

• 人間の健康への被害 (疾病調整生存年)
• 生態系へのダメージ（種の年、または時間統合された種の喪失）

生産の環境コスト、つまり温室効果ガス、水の使用量、土地の使用量、富栄養化排出量は、測定される各エンドポイントに異なる影響を及ぼします。人間の健康と生態系への被害。

ここで、大麦の生産に寄与した DALY (人間の健康被害の尺度) 当たりのタンパク質含有量が最も多く、生態系破壊単位当たりのタンパク質含有量が最も多いのはナッツであることがわかります。

2 つのエンドポイントを 1 つのスコアに結合することには議論の余地がありますが、コンテンツを要約する上では価値があります。この論争は、人間の健康へのダメージと生態系へのダメージの同等性、つまり、種の損失が人間の生命の損失よりもどれほど深刻であるかを定量化することから生じています。スコアを結合するには、それらのエンドポイントの相対的な重要性を重み付けする価値判断が必要です。

ここで私はそれらが同等であると主張し、環境への影響による最良の栄養素源のリーダーボードを作成しました。

以下は、人間の健康と生態系へのダメージの両方に対する平均的な相対的影響によって測定された、5 つの最良の栄養素源です。

まとめ終わり。

データ

この研究では、マッカンスとウィドウソンの食品組成統合データセットと、食品生産の環境への影響に関するプアとネメチェクのメタ分析を組み合わせて、エンドポイント損傷カテゴリーごとの栄養成分の分析に到達します。前者には関係するすべての食品の栄養成分が含まれており、後者には食品 1 キログラムの生産に関連する平均環境コストが含まれています。

Excel にマージされたデータのスナップショット

その後、 PreSustainabilityの厚意により、食品生産で生じるエンドポイントの損傷がReCiPe LCA アルゴリズムによって評価されます。

LCAとは何ですか?

ライフサイクル分析は、環境への影響を理解するためにシステム内のすべてのインプットとアウトプットを研究することです。LCAは、「地球温暖化はどのように悪影響を及ぼし、どのような被害をもたらすのか?」という、一見無意味だが重要な質問のような質問を限定し、定量化しようとします。LCA の手法は、中間点と呼ばれる人間の生産の測定可能な成果を、損傷経路と呼ばれる連鎖を通じて、エンドポイントと呼ばれる最終的な損害または結果に結び付けます。

私たちが現在使用している ReCiPe と呼ばれる LCA アルゴリズムには、18 の中間点カテゴリがあり、9 つの損傷経路を介して 3 つのエンドポイントにリンクされています。

この研究では、食品生産における 4 つの中間カテゴリーと、それらが 2 つのエンドポイントに及ぼす影響のみを検討します。

4 つの中間点は次のとおりです。

1. 地球温暖化: 食料生産のすべての段階における GHG 排出量によって測定される
2. 土地利用/転換: 食料を栽培するために必要な土地によって測定されます。
3. 淡水の富栄養化: 流出水中のリン酸塩によって測定される
4. 淡水取水量: 総水消費量で測定

1. 人間の健康への被害: 障害調整生存年数 (DALYS) によって測定
2. 生態系への被害: 時間統合された種の喪失によって測定 (Species.yr)

エンドポイント、または損傷の最終測定

エンドポイントは、研究対象となっている人間の活動の長い因果関係から測定することを目的とした最終結果です。私たちが検討しているのは 2 つだけです。

人間の健康への被害が最初であり、DALY で測定されます。1 DALY は、失われた 1 年間の「健康的な生活」を表します。この健康な年の損失は、人口全体に広がる可能性があります。したがって、10 人の健康寿命を 0.1 年失う何かが発生した場合、その影響の合計は 1 DALY として測定されます。

私たちの研究で DALY に寄与する2 つの関連する損傷経路は次のとおりです。

1. 栄養失調の増加
2. 病気の増加

中間点の説明とその関連性

中間点: 気候変動 (kg CO2e で測定)

役割

農業は世界的に温室効果ガス (GHG) の大量発生源であり、人為的排出量の 13% ～ 21% が農業から発生すると推定されています。排出量は次のように分割されます。

• 二酸化炭素: 食品の生産、出荷、保管におけるトラクターや設備の使用
• メタン: 畜産業、特に反芻動物の飼育が GHG 排出量全体の大きな部分を占めています。
• 亜酸化窒素: 合成肥料と有機肥料の両方から

損傷経路

地球温暖化の科学は、大きな未解決の疑問はあるものの、かなり発展しています。ほぼ確実なことは、GHG 排出が地球の平均気温の上昇を引き起こし、それが人間の福祉と生態系の健全性の両方に連鎖的な影響を与えるということです。

以下の GHG キログラムから人間の健康と生態系への被害への換算の背後には、多くの数学と科学があります。この経路は上記で修飾されていますが、数値化して確認したい人は、ここで数学を調べることをお勧めします。

最終的に、損傷経路を組み合わせて、CO2e 1 kg あたりに生じる損傷に関する最終結果が得られます。

上記の保護領域の列はエンドポイントを説明します。単位は、食料生産に関して私たちが所有するデータ、つまり Kg CO2e と一致しています。したがって、GHG 排出量を DALY および種の年に換算できます。

例えば：

リンゴ 1 kg の生産では、0.43 kg の CO2e が排出されることがわかります。

数値を掛け合わせると次のようになります。

(0.43 kgCO2e / リンゴ 1 kg) x (9.28x10^-7 DALY / kgCO2e) = 3.99x10^-7 DALY / リンゴ 1 kg。

別の言い方をすると、リンゴ 1 キログラムの生産による GHG 排出量は、0.000000399 DALY になります。

地球温暖化は人間の健康と生態系へのダメージの両方に影響を与えるため、さまざまな要素を使用して計算を繰り返し、種へのダメージを評価します。陸上および水生の生態系要因を合計すると、次のようになります。

(0.43 kgCO2e / kg リンゴ) x (2.80x10^-9 種.年 / kg CO2e) +

(0.43 kgCO2e / kg リンゴ) x (7.65x10^-14 種.年 / kg CO2e) = 1.29x10^-9 種年。

別の言い方をすると、

1 キログラムのリンゴの生産による GHG 排出量は、

1 年間で 0.0000000012 種が減少しました。

中間点: 土地利用 (m² で測定)

役割

かつて人類は遊牧生活を送っており、長期間どこかに定住することはほとんどありませんでした。過ぎ去った時代、彼らが土地に与えた影響は比較的小さかった。農業の出現により、人間はその場に留まることができ、地球はその目的を果たすことができました。それ以来、人類は作物を育て家畜を養うために森林を伐採してきました。世界の土地の膨大な部分が農業に利用されているのは当然です。土地の使用と悪用は、生態系への被害の大きな原因であり、今も続いています。

ダメージ経路

土地利用単位ごとに生態系にどの程度の被害が及ぶかは、その土地が以前に何をしていたかによって異なります。たとえば、パーム油の木を植えるために熱帯雨林を伐採した場合、北極のツンドラ地帯に果樹園を植えた場合よりも、種の損失で測定した場合、より多くの生態系に悪影響を与える可能性があります。

土地利用は作付けする作物の種類によって異なりますが、ここでは全体的な数字を記載します。

土地利用は生態系の健全性にのみ影響を及ぼし、人間の健康には影響しないことに注意してください。

リンゴの例をもう一度見てみましょう…

リンゴは 1 kg の製品を生産するのに 0.63 平方メートルの土地を必要とします。
係数を掛け合わせると、5.59x10^-9 種年が得られます。

中間点: 富栄養化排出量 (PO4e またはリン酸塩相当物の kg で測定)

役割

肥料は、前の世代では前例のないレベルまで作物の収量を増加させ、過去数世紀にわたる人類の大規模な成長を可能にしてきました。肥料は基本的に、作物の土壌に窒素を追加することによって機能します。窒素は植物のクロロフィル分子の重要な構成要素であり、窒素をより多く摂取すると植物の成長が劇的に促進されます。炭素元素は生物群系の生命の量を決定し、窒素は質を決定するといわれています。

損傷経路

窒素を豊富に含む肥料を大量に生産することによる副作用の 1 つは (その生産が化石燃料に大きく依存しているという事実は別として)、その多くが水生環境に流れ込み、富栄養化として知られる状況を引き起こすことです。富栄養化とは、水域が栄養分で過剰に濃縮され、藻類の繁殖や水生環境の生態学的豊かさを低下させるその他の現象を引き起こすことです。富栄養化はリン酸塩またはリン当量で測定され、窒素の代わりにリン元素が測定されます。どちらの要素もクロロフィルの成長を刺激するため肥料に使用されますが、同じ理由で水生環境に有害であるという点で、あらゆる意味でこの 2 つの要素を置き換えることができます。

リンゴの例では、データにはリンゴ 1 キログラムのリン酸塩相当量 (kg PO4e) が含まれているのに対し、係数ではリン相当量 (kg Pe) が求められているため、注意が必要です。

適切な重み付けをするには、関係する原子の原子量を利用する必要があります。

リンの原子量は 31、酸素の原子量は 16 であるため、PO4e → Pe の適切な重み付け係数は次のようになります。

(31 / (31 + 4*16)) = 0.33

次に、以前に行ったように係数を乗算して、リンゴ 1 キログラムあたり 3.17x10^-10 種年に達します。

中間点: 淡水取水量 (m3 単位で測定)

役割

植物が成長するには水が必要です。さらに言えば、牛も同様です。どこにいるのか、何を栽培しているのかによって、水の必要性はまったく心配しないこともあれば、作物や環境にとって最大のストレスとなることもあります。極端な例の 1 つは、カリフォルニア州で栽培されるアーモンドです。カリフォルニア州は極度の水ストレスに直面しているにもかかわらず、世界のアーモンドの 80% が栽培されています。州の総水消費量の 10% 以上がその作物だけに使われています。もう一つの極端な例は、水をほとんど必要としないキャッサバの栽培で、世界の飢餓と戦うための重要な品種としてビリー・ゲイトの目に留まりました。

ダメージ経路

淡水の使用量は、両方の LCA エンドポイントに影響を与えるという点で GHG 排出量と似ています。

淡水の取水による最終的な被害を計算する式は興味深いものです。その地域の気候、人間開発指数、その他多くのバイオマーカーを考慮に入れます。繰り返しになりますが、好奇心旺盛で勇気のある人はここでの定式化を検討してください。

リンゴの例の締めくくりとして、すべての損傷経路を合計すると、リンゴ 1 キログラムで合計 7.99x10^-7 DALY および 7.12x10^-9 種年が発生します。

***これらの数値は、他の衝撃経路が除外されているため、実際の損害額よりも低い可能性があります。***

栄養要素の追加、食品のランキング、およびディスカッション

38 種類の食品のそれぞれについて LCA 計算を実行すると、1 キログラムの食品が寄与する DALY および種年分の損害の合計がわかります。次に、これらのエンドポイントを対象の食品の栄養成分に対して正規化できます。

リンゴの例を拡張して、特定の食品に含まれる栄養素の量を、その生産による DALY 当たりの影響を調べることができます。

このスナップショットは、DALY に貢献する前にリンゴから 7.51x10⁶ グラムのタンパク質を取得できるのに対し、DALY に貢献する前に大麦から 6.97x10⁷ グラムのタンパク質を取得できることを示しています。

そして、ここでは種ごとに同じ食べ物と栄養素が含まれています。

このデータを使用することで、環境への全体的な影響に応じて、最適な栄養素源と最悪の栄養素源を見つけることができます。

2 つのスコアを組み合わせて栄養素のリーダーボードを算出する代わりに、ダメージの相対的なパーセンタイルを組み合わせて、他のプレイヤーと比較した相対的な強さを計算しました。

わかりやすくするために、結果のリーダーボードをもう一度示します。

大麦は、プロテイン賞やカロリー賞など、多くの部門で明らかに勝者であるようです。

議論

オオムギ？！誰がそれについて話したいですか？それはさておき、サツマイモの話をしましょう...

サツマイモのたんぱく質含有量は 1 キログラムあたりわずか 17g ですが（ラッカセイは 258g、牛肉は 197g、ワイルドライスは 122g）、最高のたんぱく質源ランキングでは 2 位となっています。それはサツマイモが環境に与える影響がほぼゼロだからです。調査された38の食品のうち、生産量1キログラム当たりの人間の健康と生態系の健康への影響が最も低い。あまりにもインパクトが弱いため、牛肉と比較すると滑稽な結果が生まれる。DALYや生態系への被害のどちらに注目するかにもよりますが、牛肉は環境にとってサツマイモの200倍から700倍悪いです。この同等性は驚くべきものです。100g のハンバーガーパティまたは 70kg のサツマイモです。

2 つのサービングのタンパク質を比較すると、100 g のハンバーガーでは 1 日の推奨摂取量の 39% が得られ、70 kg のサツマイモでは 2380% が得られます。

もし地球上の全員に環境予算が割り当てられたとしたら、つまり、消費習慣が年間に及ぼす害の範囲が限られているとしたら、多くの人は 70kg のサツマイモのためにハンバーガーを諦めると思います。パイやフライドポテトのことを考えてみてください…

ほうれん草について言及しないのは間違いです。環境への影響ごとの栄養素含有量の平均パーセンタイルを比較すると、ほうれん草は強力なサツマイモや退屈な大麦をも上回ります。ランキングを見ると、ほうれん草にはビタミンやミネラルが豊富に含まれていることがわかります。

今後の学習計画

• 栄養素の最適化: 総「環境コスト」に制限を設け、最適な食事を見つける
• 食品のスコアリング: 食品をスコアリングするための栄養学的方法論を学ぶ
• より多くの影響データを追加する: 影響経路データが多いほど、より良い結果が得られます。
• 価格の追加: 価格設定をいじるのは興味深い場合があります (食品の価格と環境に対する価格の加重混合を作成します)。

初めてなのでお手柔らかに。私は単なる初心者なので、これは食品に関する公式の LCA ではありません。LCA テクニックは、私がここで行ったように、限られた一連の影響経路を使用して明示的に非難します。私はどうすることもできませんでした。

私たちのデータの世界は素晴らしいインスピレーションでした。

Pre-Sustainability と SimaPro ソフトウェア。

マッキャンスとウィドウソンズ

ネメチェクとプア

バナナはどれくらい悪いのか？