陳 斌， 董海勝

(航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點實驗室，中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

國內(nèi)外航天營養(yǎng)與食品工程研究回顧與展望

陳 斌， 董海勝

(航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點實驗室，中國航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094)

介紹了航天營養(yǎng)與食品工程學(xué)科的產(chǎn)生、發(fā)展及主要研究內(nèi)容．重點對國內(nèi)外航天特因環(huán)境下人體物質(zhì)代謝規(guī)律、航天食品與包裝工程技術(shù)、航天食品質(zhì)量控制與安全管理技術(shù)等的研究進展進行了綜述．針對我國載人航天發(fā)展規(guī)劃，對我國航天營養(yǎng)與食品工程發(fā)展趨勢進行了展望．

航天營養(yǎng)與食品工程;航天食品;航天食品安全

航天營養(yǎng)與食品工程學(xué)科是載人航天工程發(fā)展的產(chǎn)物，是經(jīng)過幾代人的探索、積累和歷次載人航天的飛行實踐逐步發(fā)展起來的，具有鮮明的醫(yī)工融合特點．航天營養(yǎng)與食品工程學(xué)是航天醫(yī)學(xué)工程學(xué)的一個學(xué)科分支和重要組成部分，是一門以確保航天員在太空健康生活為根本目標(biāo)，研究航天營養(yǎng)需求和營養(yǎng)保障技術(shù)的學(xué)科［1］．航天營養(yǎng)與食品工程學(xué)主要研究方向包括航天特因環(huán)境下人體物質(zhì)代謝規(guī)律與營養(yǎng)需求、航天食品與包裝工程技術(shù)及航天食品質(zhì)量控制與安全管理技術(shù)等．本研究重點介紹航天營養(yǎng)、航天食品研究，國外航天營養(yǎng)與食品發(fā)展歷程及我國未來航天營養(yǎng)與食品工程發(fā)展趨勢．

1 航天營養(yǎng)研究概況

1.1 航天營養(yǎng)概念的提出

食品是營養(yǎng)素的載體．航天員要獲得其所需要的能量和營養(yǎng)素，必須通過進食來獲?。教焓称泛懈鞣N必須營養(yǎng)素，三大產(chǎn)能物質(zhì)搭配合理，以實現(xiàn)平衡膳食的目的．航天食品在滿足營養(yǎng)平衡的同時，必須具有較好的感官接受性和極高的安全可靠性．航天營養(yǎng)研究的內(nèi)容包括航天特因環(huán)境(微重力、噪聲、振動、狹小空間、晝夜節(jié)律變化等)對機體生理和代謝作用的規(guī)律和機理，飲食營養(yǎng)與機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定、對外環(huán)境反應(yīng)、適應(yīng)及耐受能力的關(guān)系，機體對飲食營養(yǎng)的需求、合理營養(yǎng)的組織原則、不同營養(yǎng)素的供給量標(biāo)準(zhǔn)及營養(yǎng)保障措施等［2］．

1.2 航天特因環(huán)境對人體的影響

1.2.1 肌肉萎縮

失重所導(dǎo)致的肌肉萎縮，通常是指骨骼肌尤其是抗重力肌的質(zhì)量減少，抗重力肌是指抵抗重力的持續(xù)拉力保持正常身體姿勢的肌肉［3］．失重肌萎縮伴有明顯的代謝變化，表現(xiàn)為能量產(chǎn)生減少和物質(zhì)代謝紊亂，最顯著的是鉀和氮的丟失．失重肌萎縮導(dǎo)致骨骼肌功能與結(jié)構(gòu)發(fā)生系列變化，如肌肉質(zhì)量減少，肌肉力與疲勞耐力減弱，神經(jīng)肌肉效率減低，運動控制能力下降等．這些變化不僅影響航天員的健康，還會影響工作效率及返回地面后的站立與行走能力［4］．

美國曾對執(zhí)行短期航天飛機任務(wù)(5，11，17天)的航天員進行了飛行前、后的肌肉活檢，結(jié)果顯示飛行僅5天后就出現(xiàn)股四頭肌萎縮的明顯證據(jù)［5］;俄羅斯“和平號”飛行131～312天的航天員，大腿去脂肌肉量減少6.6% ±1.4%，而大腿脂肪增加15.9±8.4%，達到統(tǒng)計學(xué)上的顯著差異，脂肪的增加也是肌肉退行性變化的表現(xiàn)．隨著在軌時間的延長，膳食攝入量和鍛煉量相應(yīng)增加，蛋白質(zhì)損失速度減慢．航天飛行期間，存在隨能量攝入增加氮損失減少的明顯傾向，說明在此期間，保持正常的能量供應(yīng)和營養(yǎng)攝入具有重要意義［6］．

1.2.2 骨質(zhì)丟失

骨丟失是人在太空生活時最嚴重的健康問題之一．骨丟失增加了骨質(zhì)疏松和骨折的危險，當(dāng)股骨和腰椎骨礦密度下降一個標(biāo)準(zhǔn)差，髖骨骨折的危險性將增加2.5倍，椎骨骨折的危險性增加2倍［7］．暴露于微重力下骨丟失的速度與哺乳期婦女相同，均為每月0.4% ～1%，但二者的后果卻不一樣，哺乳母親在嬰兒斷乳后骨質(zhì)會快速恢復(fù)，而從太空返回地面的成年人可能面臨較早發(fā)生骨質(zhì)疏松的危險［8］．綜合各個時間的觀察結(jié)果，航天飛行期間骨鈣丟失率大致為250 mg/d，而返回地面后鈣的恢復(fù)速度為100 mg/d．這樣，骨鈣恢復(fù)所需的時間將是飛行時間的2～3倍，研究表明，膳食鈣、維生素D、維生素K、鎂和磷直接關(guān)系到骨的質(zhì)和量，因此，如何保證航天膳食中適宜的營養(yǎng)素的攝入尤為重要［9－10］．

1.2.3 體重減輕

無論是短期航天飛行還是幾個月直至一年以上的長期飛行，絕大多數(shù)航天員都發(fā)生體重減輕的現(xiàn)象．加加林只飛了108 min，體重也略有下降，飛行后6天才恢復(fù)正常．雙子星座4號飛行4天，指令長體重丟失2.0 kg，航天員體重丟失3.9 kg;雙子星座7號飛行7天，指令長體重丟失4.5 kg，航天員為2.9 kg．所觀察到的體重減輕很顯然是航天員食物攝入量不足的結(jié)果．體重減輕的后果輕者影響航天員返回地面后的再適應(yīng)過程，重者可對航天員的身體造成永久性損傷［2］．

1.2.4 航天貧血

1967年發(fā)現(xiàn)雙子星座5號上的航天員血紅細胞數(shù)量比發(fā)射前降低，后來對雙子星座、阿波羅、航天飛機及和平號空間站航天員的研究得到了進一步證實．執(zhí)行“和平號”任務(wù)的航天員飛行115天以后，紅細胞質(zhì)量為飛行前測定值的93%．執(zhí)行短期航天飛行任務(wù)的航天員，紅細胞質(zhì)量以每天1%的速度減少．航天員返回地面時血容量減少，可能發(fā)生體位性低血壓．幾天以后，血漿容量恢復(fù)到飛行前水平，但航天員仍處于貧血狀態(tài)，說明航天飛行對機體鐵的代謝產(chǎn)生了深遠影響［11－12］．

1.2.5 空間運動病

空間運動病屬于航天適應(yīng)綜合癥的范疇，癥狀主要表現(xiàn)為食欲喪失、胃部打結(jié)感和無先兆嘔吐等，一般發(fā)生在進入失重環(huán)境的頭幾天，發(fā)病率高達40%，幾天后不治自愈．食欲下降或喪失的原因可能是在微重力下細胞外體液頭向轉(zhuǎn)移而引起的不適，頭部充血伴隨的味覺改變可明顯降低食物的可口性，甚至對那些飛行前航天員根據(jù)自己的口味喜好特地挑選的食物也不例外．很多航天員訴說在飛行時口味發(fā)生改變，口味改變的程度包括從單一氣味和風(fēng)味的缺失發(fā)展到厭惡原本喜愛的食品，有些有經(jīng)驗的航天員在發(fā)射前有意不進食或少進食或減少膳食脂肪的攝入都有可能減輕空間運動病癥狀［13］．

1.2.6 腸道微生態(tài)紊亂

微重力條件下胃腸道的功能發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在腸道菌群發(fā)生改變，有益菌群的減少和有害菌群的增加，從而影響機體對營養(yǎng)素的消化吸收和利用［14－15］．腸內(nèi)乳酸菌群尤其是雙歧桿菌，具有多種重要的生理功能，維持腸道正常生理活動，并能合成某些營養(yǎng)物質(zhì)等，因此，失重及其他應(yīng)激因素對腸道微生態(tài)平衡的影響與防護措施是一個值得高度重視的問題［16－17］．

1.2.7 其他影響

除上述之外，航天飛行環(huán)境還會對機體產(chǎn)生系列影響，如體液丟失、免疫功能減退、脂質(zhì)過氧化增強、血脂增高等等［14］，這些都會直接影響航天員的健康和工作效率，也是航天營養(yǎng)、航天食品研究者們面臨的主要問題．

1.3 地面研究方法

為了方便研究失重所引起的各種生理效應(yīng)并找到應(yīng)對措施，人們在地面建立了多種模擬失重研究方法，如細胞回轉(zhuǎn)器、動物尾吊實驗和人體頭低位臥床試驗就是常用的從細胞到動物再到人體的系統(tǒng)研究方法．

1.3.1 細胞回轉(zhuǎn)器

細胞培養(yǎng)在將來的營養(yǎng)研究中將發(fā)揮重要作用，從分子水平來研究太空中細胞的生長情況．生物回轉(zhuǎn)反應(yīng)器也用于研究模擬微重力對細胞代謝的影響，細胞在生物回轉(zhuǎn)反應(yīng)器和航天飛行中，會發(fā)生一些有趣的變化，如細胞長得很大．這些都是從細胞和分子水平研究微重力條件下代謝情況非常有價值的方法［18］．

1.3.2 動物尾吊實驗

最常用的模擬失重動物模型是尾部懸吊法，將大鼠的尾部吊起后肢離地，頭向下前肢著地，一般與地面成30°角，用于研究模擬失重所致的各種生理效應(yīng)及驗證對抗措施的有效性［18］．

1.3.3 頭低位臥床實驗

人體頭低位臥床實驗已成為模擬失重的通用地面模型，已廣泛應(yīng)用于研究失重對人體的影響、失重時生理系統(tǒng)失調(diào)機制和防護措施等的研究［18］．根據(jù)頭部與水平方向的位置關(guān)系可分為頭高位、水平位和頭低位臥床實驗．實踐證明－6°頭低位臥床所引起的生理變化與航天飛行中的變化更類似，因此大都采用－6°頭低位臥床方法作為臥床實驗的標(biāo)準(zhǔn)方法．利用該模型在持續(xù)幾周或幾月的臥床實驗中，可用來觀察對肌肉、骨骼系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)的變化及評價對抗措施的有效性，也可模擬航天飛行中的代謝變化，用于研究代謝與營養(yǎng)需求之間的關(guān)系等［19］．

雖然在地面上采用了許多模擬方法，但到目前還沒有一種模擬方法能夠完全再現(xiàn)航天飛行中的失重作用．飛機拋物線飛行可產(chǎn)生數(shù)十秒的真正失重，但由于失重的持續(xù)時間短，只能研究一些即刻的生理反應(yīng)和體驗失重時的感覺，無法用于生理適應(yīng)性研究［19］．

2 航天食品工程研究的基本要求

航天食品工程包括航天食品與包裝工程二部分內(nèi)容．航天食品的服務(wù)對象是航天員，航天食品必須是安全、營養(yǎng)、方便、高效能、可接受性好的食譜食品，它集營養(yǎng)供能、心理調(diào)節(jié)和機能調(diào)節(jié)三大功能于一身．航天特因環(huán)境，特別是失重環(huán)境對航天食品的使用性能具有特殊的要求，受到多種條件的限制．

2.1 工程條件限制

受運載火箭推力的限制，載人航天器的重量和體積是有限的，這樣分配給航天食品系統(tǒng)的重量和體積也必須精打細算，都是以“g”和“cm3”計，表1列出了美國不同型號和我國航天食品提供的能量、重量、體積及重量體積比．從表1中可以看出航天食品所受工程條件限制的嚴格程度．

航天食品作為裝船產(chǎn)品還要經(jīng)受航天發(fā)射、運行、返回過程中各種特殊環(huán)境因素的作用如振動、沖擊、泄復(fù)壓、加速度等，因此航天食品的形態(tài)、包裝形式、強度等都有嚴格的要求［1］．

2.2 醫(yī)學(xué)要求

2.2.1 安全要求

體現(xiàn)在航天食品的衛(wèi)生安全和操作安全兩個方面，衛(wèi)生安全包括物理因素如骨、刺等不可食用部分，化學(xué)因素包括農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、有毒有害物質(zhì)等，生物因素如致病菌、生物毒素及過敏原等．這些可通過制定標(biāo)準(zhǔn)、過程控制和嚴格的檢驗評估來控制，從而促進了HACCP的產(chǎn)生和完善．

表1 不同載人航天飛行任務(wù)對食品的限制要求［2］Tab．1 Requirements of food restrictions in diffrent manned space missions

操作安全是指航天員在食物準(zhǔn)備和就餐過程中防止發(fā)生物理性傷害，與系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品加工和航天員操作的熟練程度直接相關(guān)［2］．如凡是航天員徒手操作能接觸到的硬件部位都要進行光潔處理，以防銳利部位引起創(chuàng)傷;又如刀叉勺之類的餐具若不慎脫離束縛或拋出，在失重狀態(tài)下很可能傷害航天員．

2.2.2 營養(yǎng)要求

航天食品的首要功能是提供營養(yǎng)素，營養(yǎng)素指能為人體活動提供熱能、維持新陳代謝及調(diào)節(jié)生理功能的營養(yǎng)物質(zhì)，包括蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、礦物質(zhì)、維生素、水和膳食纖維七大類數(shù)十種物質(zhì)．根據(jù)航天飛行任務(wù)的不同有所區(qū)別，如出艙活動期間就需要配置低產(chǎn)氣的航天食品．

2.2.3 可接受性要求

食品作為營養(yǎng)素的載體，其感官接受性直接關(guān)系到營養(yǎng)素的攝入量，國內(nèi)外的歷次航天飛行實驗證明，除航天食品本身的感官品質(zhì)外，食品的種類、食譜與飲食制度、航天員個人的飲食習(xí)慣及嗜好、航天飛行過程中味覺與嗅覺的變化、硬件支持設(shè)施與就餐環(huán)境等都會對航天食品的感官接受性產(chǎn)生直接影響［2］．

2.2.4 保健功能要求

從空間特因環(huán)境看，微重力、噪聲、振動、輻射、晝夜節(jié)律改變、狹小生活空間、有害氣體及心理應(yīng)激等，這些都會直接或間接對人機體多個生理系統(tǒng)如骨骼肌肉系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)內(nèi)分泌及消化系統(tǒng)等產(chǎn)生消極影響，長期航天飛行會導(dǎo)致航天員機體發(fā)生骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮、貧血癥、胰島素抵抗、食欲減退、免疫力下降、腎結(jié)石及便秘等一系列風(fēng)險．針對機體生理功能發(fā)生的變化，需要開展相應(yīng)的對抗措施研究，以減緩或避免上述失重生理效應(yīng)的不良影響［2］．從飲食的角度，開發(fā)研制系列抗疲勞、抗輻射、抗氧化、延緩骨鈣丟失和肌肉萎縮、免疫調(diào)節(jié)等具有保健功能的航天食品，不但能為航天員提供必要的營養(yǎng)支持，而且具有特定的生理活性，無毒副作用，可長期服用，能作為航天飛行尤其是中長期飛行的有效防護措施，從一定程度上緩解航天特因環(huán)境對航天員的不利影響．

2.3 使用性能要求

航天食品使用性能要求主要包括在失重條件下使用的可行性、可靠性及方便性．要經(jīng)過地面試驗驗證及模擬環(huán)境實驗測試，并符合人機工效學(xué)要求．

2.4 航天食品的類型

食譜食品是指在軌道正常飛行期間供航天員食用的食品．根據(jù)航天員工作、生活和鍛煉情況合理地提供不同種類和數(shù)量的食品，它不僅要滿足航天員對食品的生理需求，還要盡可能滿足航天員的心理和感官要求，盡量符合航天員的飲食習(xí)慣和愛好．食譜食品是航天食品的核心，占有的重量和體積最大，使用期最長，類型和品種最多．

儲備食品是考慮飛行計劃中可能會遇到一些意外情況需延長飛行時供航天員食用的食品，如著陸地區(qū)氣候條件惡劣不宜按時返回降落等．儲備食品的使用條件與食譜食品相同，又稱非壓力應(yīng)急食品．因此，儲備食品的類型與食譜食品基本一致．

壓力應(yīng)急食品是指在乘員艙發(fā)生壓力應(yīng)急時，航天員著航天服進行應(yīng)急飛行期間食用的食品．根據(jù)壓力應(yīng)急飛行時間的長短，壓力應(yīng)急食品又分為航天服內(nèi)進食和航天服外進食的應(yīng)急食品．與食譜食品和儲備食品明顯不同，由于是在壓力應(yīng)急情況下食用，與航天服間存在界面接口關(guān)系，必須與航天服相匹配．

艙外航天食品是指航天員著艙外航天服進行艙外活動期間食用的食品．航天服內(nèi)供食裝置由兩部分組成:一是流質(zhì)供食器，二是固體供食器．

救生食品是航天員返回著陸(或濺水)后等待救援期間食用的食品．由于救生食品是在返回后食用，所以不必符合失重時的進食要求，但必須考慮在地面可能出現(xiàn)的各種氣候條件下的進食要求，如在海上和沙漠地區(qū)．救生食品是從地面攜帶，返回后在地面食用，要求具有重量輕、體積小和熱能密度高的特點．

3 國外航天食品研究發(fā)展歷程

3.1 概述

1961年4月12日，前蘇聯(lián)航天員加加林乘坐東方1號飛船首次航天飛行成功，人類從此進入載人航天時代［20］．美國已完成和正在進行的載人航天計劃有水星號、雙子星座號、阿波羅號、天空實驗室和航天飛機，1984年又開始了自由號國際空間站計劃，后因俄羅斯的加入，改名為阿爾法國際空間站．前蘇聯(lián)/俄羅斯已完成和正在進行的載人航天計劃有東方號、上升號、禮炮號、暴風(fēng)雪號、和平號空間站，現(xiàn)參與國際空間站計劃．載人航天任務(wù)從簡單的體驗人在太空失重條件下生存的可能性，到完成各種科學(xué)研究、觀測、組裝、加工、維修等繁重科學(xué)實驗活動;航天飛行時間從十幾分鐘的亞軌道飛行到438天長期在太空生活和工作;航天器從簡單的單人飛船到多人長期航天飛行的國際空間站，載人航天事業(yè)取得了巨大成就［1］．

在載人航天飛行之前，人們對這些特殊要求只能推測和想象．當(dāng)時有些專家曾擔(dān)心，在失重條件下吞咽可能會很困難，食物可能會卡在咽喉處．前蘇聯(lián)的加加林和美國第一位航天員格林的航天飛行任務(wù)之一，就是在太空失重條件下進行進食試驗．隨著航天營養(yǎng)與食品工程研究的不斷深入，航天食品的類型和品種逐漸增加，食品的支持硬件也日益完善，當(dāng)二者的復(fù)雜程度達到一定水平時，便形成了一個相對獨立的完整體系——航天食品系統(tǒng)．航天食品系統(tǒng)通常包括食品、包裝以及相應(yīng)的儲存、制備、伺服、清潔、廢棄物收集與處理、漂浮物清除等一整套設(shè)備、裝置和用品［21］．

設(shè)計教學(xué)活動主線為聯(lián)合A、B、C、D等校企合作單位的電商營銷產(chǎn)品及業(yè)務(wù)，并圍繞主線，設(shè)計涵蓋電商(商務(wù)秘書)崗位工作的核心任務(wù)。

航天食品系統(tǒng)的主要設(shè)計指標(biāo)是安全、營養(yǎng)、方便、可靠，同時還要求重量輕、體積小、操作簡便、包裝要便于在失重條件下使用及較好的可接受性［21］．要達到這些目標(biāo)，主要考慮三方面的因素:生物因素、操作因素和工程因素(見表2)，這些限制因素將影響航天食品的最終選擇和包裝形式［22］．

表2 航天食品系統(tǒng)的限制因素Tab．2 Limiting factors of space food system

3.2 早期的航天飛行計劃

以美國為例，航天食品系統(tǒng)是為滿足水星號和雙子星座號飛船工程設(shè)計的嚴格要求而發(fā)展起來的［23］．在水星號和雙子星座號計劃的短期航天中，食品的品種比較單一，由于沒有足夠的衛(wèi)浴設(shè)施，加之食物貯藏能力有限，為減少排泄物，促進了低纖維食品的開發(fā);后來，隨著飛行時間的延長，航天食品得以進一步發(fā)展，但此時的設(shè)計原則多是考慮到水的供給方法［21］．

在阿波羅飛船上，水作為燃料電池的副產(chǎn)物可以充足供給，由此脫水食品得到廣泛應(yīng)用．但當(dāng)水是從地面運往太空再進行復(fù)水時，脫水食品的優(yōu)勢則大大降低．“阿波羅”任務(wù)大大地推動了航天食品系統(tǒng)的發(fā)展，第一次在進食中使用了餐具，第一次使用了蒸煮袋，第一次食用輻照食品，這在美國航天食品系統(tǒng)的發(fā)展史上有著特別重要的意義［22］．

3.3 天空實驗室計劃［24］

天空實驗室食品系統(tǒng)是迄今為止最先進的食品系統(tǒng)，它包括冷凍、冷藏冰箱，食品的多樣性提高了感官接受性和營養(yǎng)價值．天空實驗室是美國第一個試驗型空間站，主要任務(wù)之一是研究長期失重對人體的影響，其中也進行了最廣泛的代謝研究，包括蛋白質(zhì)，礦物質(zhì)和水的代謝平衡研究．

為了開展代謝平衡研究，天空實驗室采用了6天周期的標(biāo)準(zhǔn)食譜．食譜食品包括18種熱穩(wěn)定食品，8種冷凍食品，3種中水分食品，11種干燥、輻照和自然型食品，25種復(fù)水食品以及10種復(fù)水飲料，并用這些食品搭配成代謝膳食．飛行前在地面密封艙內(nèi)進行了3人56天的代謝實驗，對代謝膳食和實驗中37種營養(yǎng)素進行了分析．并從飛行前21天開始，到飛行后第18天為止，航天員一直食用航天食品，對飛行前、中、后的代謝樣品進行了6種特殊營養(yǎng)素的分析，提出了航天營養(yǎng)的基本要求．

天空實驗室的食品系統(tǒng)比阿波羅、雙子星座和水星號計劃的食品系統(tǒng)有了很大改進．天空實驗室的內(nèi)部容積比前幾個型號飛船都大，可居住空間為361 m3(阿波羅為4.5 m3，雙子星座為2.26 m3，水星號為1.56 m3)．天空實驗室上有相當(dāng)大的貯藏空間，并配備了冷凍、冷藏箱和食品加熱器．天空實驗室食品系統(tǒng)的最大特點是包裝全面改觀，支持硬件配套齊全．如研制了折疊式聚乙烯飲水瓶，整蓋拉開式鋁罐包裝，配備了3種食品儲箱:一是食品普通儲箱，儲存溫度為5～30℃，用于儲存熱穩(wěn)定食品、即食食品、復(fù)水食品和飲料;二是食品冷藏箱，儲存溫度為7℃，用于存放自然型食品中容易變質(zhì)的食品和制備冷飲;三是食品冷凍箱，儲存溫度為－23℃，用于存放地面烹調(diào)好的冷凍食品和冰淇淋等．

食品制備設(shè)備包括食品加熱器和水分配器;食品伺服設(shè)備包括餐桌、餐盤和餐具．餐盤用于固定一餐的各種食品．后改為食品加熱伺服箱，其表面有4大4小共8個凹槽，能卡住大小兩種鋁罐和復(fù)水飲料瓶．加熱器能將食品加熱到66℃，且有計時器可控制加熱時間．勺、刀、叉3種餐具和安全剪刀都經(jīng)磁化，他們可被吸附在箱體表面，以防止飛走．這種設(shè)備和這種進食方法頗受航天員歡迎．

3.4 航天飛機計劃［25］

航天飛機是一種短期飛行的天地往返運載工具，可重復(fù)使用，代替一次性使用的運載工具飛船．具有將7名航天員和30 t有效載荷運送到地球軌道的能力，由于航天飛機提供的質(zhì)量和體積不大，可居住空間為74 m3，而天空實驗室可居住空間為361 m3，所以工程技術(shù)方面對食品系統(tǒng)的質(zhì)量和體積限制要比天空實驗室嚴格得多，食品包裝和支持硬件也不同于天空實驗室，如電能和重量的限制排除了冷凍冷藏箱和微波爐的使用，用燃料電池水復(fù)水的脫水食品約占一半，其他由熱穩(wěn)定食品、輻照食品、中水分食品及液體或半固體的調(diào)味品等組成．食品的總數(shù)要遠遠大于以前的任務(wù)階段，達150多種，大都不需要冷凍和冷藏的即食食品，或經(jīng)簡單加水或加熱就可以食用的食品．在航天飛機上還為出艙活動研制了艙外航天食品和飲水，可提供2 093 kJ的能量和1 000 mL的飲水．

自STS－41D(航天飛機飛行任務(wù)編號)開始，航天員可以用標(biāo)準(zhǔn)食譜，也可從所列的150多種食品清單中選擇個人喜好的食品，來替換標(biāo)準(zhǔn)食譜中的食品，或自己設(shè)計食譜，但必須經(jīng)營養(yǎng)專家的評價以滿足營養(yǎng)平衡的需要．在每次飛行中，還為每名航天員提供了2天的儲備食品，每天總熱量為8 790.6 kJ，以防著陸點惡劣天氣或不可預(yù)測的原因而需延長飛行時食用．

由于在飛行中航天員有機會從儲備食品中自選點心或其他愛吃的食品，所以常常改變食譜．因此，在飛行中實際的膳食攝入情況與飛行前設(shè)計的營養(yǎng)平衡的食譜可能不一致，航天員很少抱怨食品質(zhì)量或食品種類，但是，盡管如此航天員的營養(yǎng)攝入還是不足．

在食品包裝方面，為減少食物系統(tǒng)所產(chǎn)生廢物的重量和體積，并考慮對廢物進行壓縮，對食品的包裝進行了改進，大量采用鋁箔包裝以降低包裝所占比例．隨著食品包裝的改進，進餐方式也發(fā)生了全新的變化．

航天飛機廚柜是一個多功能食品支持設(shè)備．集成了包括食品儲柜、調(diào)味品儲柜、水分配器、強制對流加熱箱、餐盤和餐具儲柜、清潔衛(wèi)生用品儲柜、廢棄物儲柜、個人衛(wèi)生臺和食品制備臺．該廚柜的所有組件及內(nèi)裝物品均采用了可靠的束縛、固定和連接裝置．水分配器可定量提供冷、熱水，強制對流加熱爐用于食品加熱．

航天飛機食品系統(tǒng)的最大特點是趨于“地面化”，從食品的選擇到伺服方式都與地面接近，食品的種類和品種越來越豐富．由于航天飛機執(zhí)行任務(wù)時間較短，沒有配備冷凍冷藏箱，復(fù)水食品采用燃料電池水復(fù)水．艙壓為一個大氣壓，在一定程度上可適當(dāng)放寬對食品包裝的要求．

3.5 航天飛機與和平號空間站聯(lián)合計劃［26］

航天飛機與和平號空間站聯(lián)合飛行(Shuttle-Mir)計劃，是美國、歐空局、加拿大、巴西、日本和俄羅斯的一個合作項目，使用的是含有美國和俄羅斯食品的食品系統(tǒng)．美、俄航天員在和平號空間站上進行了111天至184天的長期飛行．和平號空間站的食品類型與航天飛機的類似，食品最短保質(zhì)期為9個月．突出的特點是食品管理采用雙語(俄語和英語)數(shù)據(jù)庫，輸入兩國預(yù)先設(shè)計的食品條形碼，就餐時采用讀碼器掃描標(biāo)簽并記錄食品攝入情況，用以進行航天飛行期間的代謝研究．

3.6 國際空間站食品系統(tǒng)［27］

國際空間站建造期間以航天飛機－和平號空間站型食品為主．居住艙提供居住和食品廚柜，包括放置不同食品的貯藏間，還有冷凍冷藏箱、微波爐．空間站的食品設(shè)計是盡可能接近地面食品，因此可接受性大大提高．

國際空間站將利用太陽能電池帆板發(fā)電，部分水來自空間站的再生水循環(huán)使用，但不能滿足食品復(fù)水的需要．因此在空間站食品的設(shè)計時，大多數(shù)食品是不需復(fù)水的冷凍、冷藏食品和熱穩(wěn)定食品，食品和水的補給多由俄羅斯的進步號貨運飛船運送，提供90天正常任務(wù)飛行的食譜食品和45天的儲備食品，以及艙外活動所需食品．食譜食品有冷凍食品、冷藏食品和常溫耐貯存的食品組成，按30天食譜周期設(shè)計，90天任務(wù)所需的食品放在多功能的后勤艙中，固定在軌道艙后再轉(zhuǎn)移到居住艙．居住艙中的食品櫥柜只能儲存14天的食品，每隔2周從加壓后勤艙取，沒有用完的食品要重新放回后勤艙中，以備后用．儲備食品要求盡可能小的體積和重量，但至少提供每人每天8 732 kJ的能量，保質(zhì)期不少于2年．艙外活動食品與航天飛機相同．

3.7 航天飛行期間的膳食攝入量研究

營養(yǎng)攝入是航天員健康保證的基礎(chǔ)，美國從阿波羅、天空實驗室和航天飛機飛行期間對膳食攝入情況進行了監(jiān)控，為了收集飛行中的數(shù)據(jù)，讓航天員在他們的日志中記錄食物攝入量，因手工記錄既不完全又不方便，后改用讀碼器掃描食品標(biāo)簽，記錄下食品的名稱和一系列數(shù)據(jù)，同時輸入個人的ID碼及攝入量，自動記錄數(shù)據(jù)和時間．飛行結(jié)束后，根據(jù)記錄來計算營養(yǎng)攝入量［22］．

天空實驗室任務(wù)進行了詳細的營養(yǎng)代謝研究，航天員的能量攝入量高于“阿波羅”和航天飛機計劃，達到推薦攝入量要求．阿波羅計劃中，航天員則由于廢物收集困難限制了他們的食物攝入［22］．航天飛機任務(wù)中，航天員沒有充足的時間去準(zhǔn)備和進餐，加上空間運動病或沒有饑餓感，食欲有所下降［24］．在天空實驗室和航天飛機任務(wù)期間，與飛行前相比，航天員攝入的碳水化合物較多而脂肪少．天空實驗室計劃中的航天員每天消耗的流質(zhì)食品更多．飲料和食物中水分的攝入充足，每天水的推薦攝入量大約是238～357 mL/(MJ·d)或者最少2 000 mL/d，可有效預(yù)防脫水和腎結(jié)石的形成，但與飛行前相比，飛行期間攝入的水量仍然偏少［22，28］．

在礦物質(zhì)方面［29］，在天空實驗室和航天飛機任務(wù)期間，鈉的攝入量大約是4～5 g/d，比1 100～3 500 mg/d的推薦攝入量高，接近于各自飛行前的水平，分別為5 141.7±886.8 mg/d和3 925±920 mg/d，阿波羅計劃中，鈉攝入量低于其推薦攝入量，這也許是因為他們的食物攝入總量只達到規(guī)定能量要求的64%所致．天空實驗室飛行期間鉀的攝入量為3 853.8±566.9 mg/d，也超出其推薦攝入量．阿波羅和航天飛機計劃中航天員的鉀攝入量低于3 500 mg/d．骨中礦物質(zhì)損失，尤其是在承重骨中，3個計劃中鈣的攝入量比1 000～1 200 mg/d推薦攝入量低．在天空實驗室計劃中，鈣的攝入量(894.2±141.5 mg/d)最接近規(guī)定值，這可能是因為航天員攝入了足夠的能量．阿波羅和航天飛機飛行中，航天員磷的攝入量在推薦攝入量內(nèi)，但在天空實驗室中的攝入量則超過推薦攝入量．在天空實驗室和航天飛機計劃中，磷的攝入量比鈣攝入量的1.5倍(每日營養(yǎng)推薦量中磷的攝入量應(yīng)小于1.5倍鈣的攝入量)要高．較高的磷鈣比不利于鈣的吸收．在天空實驗室和航天飛機計劃飛行中鎂和鋅的攝入與飛行前接近，但都是低于其推薦攝入量．低鋅會降低味覺和嗅覺的功能，進而會影響整個膳食的攝入．在微重力環(huán)境中，血紅細胞數(shù)量減少且血清鐵濃度升高．在航天飛機計劃飛行期間，鐵的平均攝入量為15.6±4 mg/d，比飛行前(18±4.6 mg/d)低，但是高于推薦攝入量．高鐵攝入有可能導(dǎo)致組織氧化損傷．鐵的推薦攝入量是航天飛行中持續(xù)關(guān)注的問題，尤其是在執(zhí)行長期任務(wù)時．

微重力會引起免疫系統(tǒng)細胞信號傳導(dǎo)的改變．航天飛行過程中乘組的能量及營養(yǎng)攝入量降低，直接的表現(xiàn)就是體重減輕，同時也觀察到免疫功能的改變．比如:分裂素的增殖反應(yīng)降低與VB6、VB12、生物素、VE、銅或硒缺乏有關(guān)．遲發(fā)型超敏反應(yīng)的降低與VB6、VB12、VC或鐵缺乏相關(guān)．蛋白質(zhì)及個別氨基酸缺乏對多種免疫功能有深遠的影響．為航天員提供特殊營養(yǎng)是對抗航天飛行期間免疫功能失調(diào)最有效的措施［30－31］．

航天飛行中VD、抗氧化劑(VA、VC、VE和β胡蘿卜素)及膳食纖維的攝入量沒有全面研究．關(guān)注VD是因為座艙內(nèi)缺乏紫外線，紫外線是促進皮膚合成VD的關(guān)鍵因子．由于食譜和食品清單中VD偏少，需要額外補充．航天飛行使航天員暴露在比地面更大劑量的射線中，抗氧化劑可以防止因輻射引起的體內(nèi)自由基損傷，所以研究它們的攝入量對航天員十分重要．以前報道表明，微重力環(huán)境條件下航天員出現(xiàn)便秘和航天運動病會影響胃腸道功能，膳食纖維和大量流質(zhì)食物攝入有助于防止便秘［32］．

膳食攝入監(jiān)控研究表明，在攝入足夠能量的情況下，其他營養(yǎng)素都接近推薦攝入量．這可以認為航天飛行中營養(yǎng)素的生物利用率與在地面上基本相同．對于長期航天飛行，提供美味可口的食品，攝入足夠食物以滿足營養(yǎng)要求非常重要，需要鼓勵航天員盡可能廣泛食用食譜設(shè)計中的食品種類以確保營養(yǎng)平衡［33］．

4 我國航天營養(yǎng)與食品工程發(fā)展趨勢

4.1 航天營養(yǎng)研究

營養(yǎng)是健康的基礎(chǔ)，開展航天環(huán)境下機體營養(yǎng)代謝規(guī)律與特點研究，為制定營養(yǎng)素供給量標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)產(chǎn)品研制，針對飛行任務(wù)科學(xué)合理配置航天食品和飲水提供科學(xué)依據(jù);研究航天環(huán)境對腸道菌群的影響和規(guī)律，為維護腸道菌群平衡或糾正失調(diào)探索有效措施;開展保健功能因子篩選、量效構(gòu)效關(guān)系研究，建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究功效評價方法;還要研究傳統(tǒng)食療食養(yǎng)理論在航天中的應(yīng)用，充分體現(xiàn)個性化營養(yǎng)支持特色等．

4.2 航天食品工程研究

研究體現(xiàn)中國特色飲食文化的食品類型，重點開展傳統(tǒng)食品工程化技術(shù)研究，包括民族特色食品、地方特色食品和典型節(jié)日食品等;體現(xiàn)保健功能，重點關(guān)注抗氧化、抗輻射、抗疲勞、免疫調(diào)節(jié)、延緩肌肉萎縮和骨質(zhì)丟失等功能因子的分離純化與產(chǎn)品研制;此外，與航天限制因素息息相關(guān)的包裝輕量化、裝運模式優(yōu)化及垃圾處理技術(shù)等也是必不可少的一環(huán);食品制備裝備、進餐環(huán)境、包裝形式、食物的色香味形與輔助心理調(diào)節(jié)及高效工作相互關(guān)系研究等．

4.3 航天食品安全研究

研究并建立ISO-HACCP一體化質(zhì)量管理與食品安全控制體系，實施對協(xié)作伙伴認可、監(jiān)督與評價;研究并建立食品原輔材料、成品的系列質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn);研究航天食品安全風(fēng)險評估方法及航天環(huán)境下食品潛在危害因子的篩選與檢測方法;已知食品安全指標(biāo)限值的再評價;實施食品安全分析與風(fēng)險評估等．

5 結(jié)束語

近地軌道航天飛行、登月、星際遠航，人類文明的觸角已經(jīng)伸向更遠的宇宙空間，世界先進國家已經(jīng)著手開展登月及星際航天食品的研究．根據(jù)我國載人航天工程“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，即第一步將航天員安全送入近地軌道并安全返回地面，進行空間科學(xué)和技術(shù)試驗(神五、神六);第二步突破航天員出艙活動以及空間飛行器交會對接等重大關(guān)鍵技術(shù)，建立具有一定應(yīng)用規(guī)模的短期有人照料、長期在軌自主飛行的空間實驗室(天宮一號、從神七到神十);第三步建立長期有人照料的空間站，使之成為國家級實驗室，開展較大規(guī)模的空間科學(xué)技術(shù)試驗和應(yīng)用研究．我國的空間站工程已正式啟動，隨著航天飛行時間的延長，作為航天員健康保障基礎(chǔ)的航天營養(yǎng)與食品工程將發(fā)揮越來越重要的作用，從而將促進航天營養(yǎng)與食品工程學(xué)科的發(fā)展．

中華飲食文化源遠流長，獨具特色，更適合中國航天員的飲食習(xí)慣，在載人航天領(lǐng)域的應(yīng)用必將展現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢．人類在太空健康生活對航天營養(yǎng)和航天食品工作者來說任重而道遠，因此，如何采用新的技術(shù)和方法，從食物和營養(yǎng)的角度最大限度地滿足航天員心理和生理的需求，保障航天員的身體健康和高效工作，還需全國航天食品科技工作者協(xié)作攻關(guān)進行廣泛而深入的研究，實現(xiàn)“讓航天員象在地面一樣飲食”的最高目標(biāo)．

［1］魏金河，黃端生．航天醫(yī)學(xué)工程概論［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2005:161．

［2］白樹民，陳斌．航天營養(yǎng)與食品工程［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004:9-10．

［3］Yoshinobu Ohira．Neuromuscular adaptation to microgravity environment［J］．The Japanese Journal of Physiology，2000，50(3):303-314．

［4］Fitts R H，Riley D R，Widrick J J．Functional and structural adaptations of skeletal muscle to microgravity［J］．J Exp Biol，2001，204(15):3201-3208．

［5］Edgerton V R，Zhou M Y，Ohira Y，et al．Human fiber size and enzymatic properties after 5 and 11 days of spaceflight［J］．J Appl Physiol，1995，78:1733-1739．

［6］沈羨云，唐承業(yè)．載人航天對骨骼肌的影響［J］．中國航天，2001，24(2):34-36．

［7］Cummings S R，Browner W，Black D M，et al．Bone density at various sites for prediction of hip fractures:The study of osteoporotic research group［J］．Lancet，1993，341(8831):72-75．

［8］劉忠厚．骨質(zhì)疏松學(xué)［M］．北京:科學(xué)出版社，1998:662-672．

［9］Connie M，Adrian L，Scott M，et al．Nutrition in spaceflight and weightlessness models:effect of microgravity on bone［J］．Aerosp Med，2001，42:185-187．

［10］Oganov V S，Grigorev A I，Voronin L I，et al．Bone mineral density in cosmonauts after 4.5-6 month-long flights aboard orbital station Mir［J］．Aero and Environ Med，1992，26(5-6):20-24．

［11］Alfrey C P，Udden M M，Leach-Huntoon C，et al．Control of red blood cell mass in spaceflight［J］．J Appl Physiol，1996，81(1):98-104．

［12］Craig L，F(xiàn)ischer M D，Johnson P C，et al．Red blood cell mass and plasma volume changes in manned space flight［J］．JAMA，1992，200(7):579-583．

［13］Smith S M，Lane H W．Gravity and space flight:effects on nutritional status［J］．Curr Opin Clin Nutr Metab Care，1999，2(4):335-338．

［14］陳英，李巖，楊春敏，等．模擬失重對生物機能的影響研究進展［J］．空軍總醫(yī)院學(xué)報，2007，23(1):40．

［15］白樹民，黃紀明，胡志祥，等．施普瑞螺旋藻對尾吊模擬失重大鼠腸道微生態(tài)失調(diào)的調(diào)整作用研究［J］．中國微生態(tài)學(xué)雜志，2002，14(1):5．

［16］沈羨云，王林杰．我國失重生理學(xué)研究進展［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2008，21(3):182．

［17］雷浪偉，李培榮．低聚木糖對模擬失重大鼠腸道微生態(tài)的影響［J］．中國微生態(tài)學(xué)雜志，2005，17(4):244．

［18］沈羨云，王林杰．我國失重生理學(xué)研究進展［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2008，21(3):182-187．

［19］劉長庭．空間生命科學(xué)研究與探索［M］．北京:人民軍醫(yī)出版社，2008:5-10．

［20］劉成林．航天食品［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1997:10-21．

［21］Lane H W，Smith S M，Rice B L，et al．Nutrition in space:lessons from the past applied to the future［J］．Am J Clin Nutr，1994，60(5):801-805．

［22］Smith M C，Huber C S，Heidelbaugh N D．Appollo 14 food system［J］．Aerospace Med，1971，42:1185-1192．

［23］Bourland C T．The development of food system for space［J］．Trends in Food Sci and Technol，1996(4):271-276．

［24］Perchonok M，Bourland C．NASA food systems:Past，present，and future［J］．Nutrition，2002，18(10):913-920．

［25］Stadler C R，Bourland C T，Rapp R M．Food system for space shuttle columbia［J］．Journal of the American Dietetic Association，1982，80(2):108-114．

［26］鄭宓非，白樹民．航天飛機/“和平”號空間站的食品經(jīng)驗［J］．載人航天信息，2005，15(1):5-16．

［27］曹平，周熙成，金磊．航天食品在空間站的發(fā)展概況［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2003，16(增刊):582-587．

［28］Whitson P A，Pietrzyk R A，Pak C Y．Renal stone risk assessment during shuttle flights［J］．J Urology，1997，158(6):2305-2310．

［29］Lane H W，F(xiàn)eeback D L．History of nutrition in spaceflight:Overview［J］．Nutrition，2002，18(10):797-804．

［30］Paulsen K，Thiel C，Timma J，et al．Microgravity-induced alterations in signal transduction in cells of the immune system［J］．Acta Astronautica，2010，67(9-10):1116-1125．

［31］Popov I G，Lastkevich A A．Blood amino acids in astronauts before and after a 211-day space flight［J］．Kosm Biol Aviakosm Med，1984，18(6):10-15．

［32］陳斌，周熙成．天然抗氧化劑對空間輻射的防護作用［J］．航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2003，16(增刊):514-518．

［33］McPhee J C，Charles J B．Human Health and Performance Risks of Space Exploration Missions Evidence reviewed by the NASA Human Research Program［M］．Texas:National Aeronautics and Space Administration，2009:295-317．

(責(zé)任編輯:葉紅波)

Retrospection and Prospection of Domestic and International Space Nutrition and Food Engineering Research

CHEN Bin，DONG Hai-sheng
(State Key Lab of Space Medicine Fundamentals and Application，China Astronaut Research and Training Center，Beijing 100094，China)

The creation，development and research direction of space nutrition and food engineering disciplines were introduced．The key issues reviewed were focused on the research of body metabolism in space special environment，space food and packaging engineering，spacefood quality control and safety management technology in domestic and overseas．According to development plan of Chinese manned space flight，the prospect of Chinese space nutrition and food engineering trends was prospected．

space nutrition and food engineering;space food;space food safety

TS201.1

A

1671-1513(2012)06-0010-09

2012-09-06

航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國家重點實驗室課題(SMFA11A03);國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(31101251)．

陳 斌，男，研究員，主要從事航天營養(yǎng)與食品工程方面的研究．