董海勝，趙 偉，臧 鵬，于燕波，曹 平，何春江，陳 斌

航天食品及飲水是有人參與的航天活動(dòng)中不可或缺的，而且隨著飛行時(shí)間的延長(zhǎng)，其重要性逐漸凸顯[1]。目前，美俄正在開(kāi)展多項(xiàng)載人太空探索計(jì)劃，其中美國(guó)航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）近期開(kāi)展的夏威夷太空探索模擬與仿真任務(wù)，目的就是驗(yàn)證長(zhǎng)期生活在火星或月球期間航天員保持良好營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的最佳方式，為深空載人探測(cè)任務(wù)探索新的食品形式和食品配置策略[2]。俄羅斯MARS500模擬載人登陸火星實(shí)驗(yàn)更凸顯了航天食品保障的重要性，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中多名受試者出現(xiàn)“食譜疲勞”，甚至對(duì)平時(shí)喜愛(ài)的食品產(chǎn)生厭倦[3]。因此，系統(tǒng)調(diào)研國(guó)際航天營(yíng)養(yǎng)及食品研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于我國(guó)航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究具有重要的啟示意義。本文就長(zhǎng)期載人航天飛行任務(wù)航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并分析了目前我國(guó)航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究面臨的挑戰(zhàn)。

1 航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究現(xiàn)狀分析

1.1 航天營(yíng)養(yǎng)

航天特因環(huán)境下（空間微重力、載人航天器噪聲、振動(dòng)、狹小空間及晝夜節(jié)律變化等）載人飛行帶來(lái)的生理問(wèn)題是多方面的，包括體質(zhì)量降低、體液轉(zhuǎn)移、脫水、便秘、電解質(zhì)失衡、鈣丟失、鉀丟失、紅細(xì)胞質(zhì)量減少、空間運(yùn)動(dòng)病及腸道微生態(tài)失調(diào)[4]。航天營(yíng)養(yǎng)是研究航天特因環(huán)境對(duì)機(jī)體生理和代謝的影響規(guī)律和作用機(jī)理的一門(mén)學(xué)科[5-6]。膳食營(yíng)養(yǎng)由2 個(gè)部分組成，即必需營(yíng)養(yǎng)素和熱能形式的能量。缺乏營(yíng)養(yǎng)的情況下存在不能健康生活和工作的危險(xiǎn)。不適當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)包括雖然攝入了足夠的熱量，但某些營(yíng)養(yǎng)素的攝入不足或過(guò)量，這可能導(dǎo)致相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)素缺乏或過(guò)量的癥狀，例如壞血病、腳氣病等[7]。

空間飛行膳食營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的改變可能會(huì)造成乘組航天員免疫功能降低[8]。乘組航天員的能量及營(yíng)養(yǎng)攝入量降低，直接的表現(xiàn)就是體質(zhì)量降低，同時(shí)也觀察到免疫功能的改變，比如：分裂素增殖反應(yīng)的降低與VB6、VB12、生物素、VE、銅或硒缺乏有關(guān)；遲發(fā)型超敏反應(yīng)的產(chǎn)生與VB6、VB12、VC或鐵缺乏相關(guān)；蛋白質(zhì)及個(gè)別氨基酸缺乏對(duì)多種免疫功能有不同程度的影響[5,9]。因此，為航天員提供高效的營(yíng)養(yǎng)是對(duì)抗航天飛行期間免疫功能失調(diào)的有效措施之一。

飛行乘組執(zhí)行國(guó)際空間站任務(wù)期間，與執(zhí)行空間實(shí)驗(yàn)室及“和平”號(hào)空間站任務(wù)一樣，航天員通過(guò)尿液排出的膠原蛋白交聯(lián)物均有100%～150%的增加，預(yù)示著3 次任務(wù)期間乘組航天員尿液中有相同的骨代謝標(biāo)志物，且機(jī)體抗氧化能力有下降趨勢(shì)[10-11]。美國(guó)2009年度的人類研究計(jì)劃報(bào)道，膳食攝入能夠抵抗太空飛行期間骨代謝的改變，檸檬酸鉀作為腎結(jié)石的非運(yùn)動(dòng)對(duì)抗方案，已從飛行觀察階段轉(zhuǎn)入臨床研究階段。補(bǔ)充二磷酸鹽可作為骨丟失的對(duì)抗措施[12-13]。

因此，提供充足、均衡的營(yíng)養(yǎng)，并使之得到有效吸收利用，是對(duì)載人航天任務(wù)乘組航天員健康的重要保障。

1.2 航天食品研究

食品是營(yíng)養(yǎng)素的載體，航天食品是航天員在軌執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)唯一的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。與普通地面食品不同，研制航天食品時(shí)需考慮諸多的資源限制因素，如質(zhì)量、體積、功耗、在軌飛行時(shí)間和餐余廢棄物處理能力。目前，航天食品主要包括罐頭食品、脫水食品、中水分食品、自然型食品、輻照食品、新鮮食品、冷藏食品及功能食品等[1]。前4 種類型的航天食品研制技術(shù)相對(duì)成熟，并得到了廣泛應(yīng)用，后4 種類型的航天食品頗受乘組航天員的歡迎。

1.2.1 航天食品新類型

1.2.1.1 輻照食品

輻照殺菌對(duì)食品品質(zhì)的影響非常小，可以應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)，應(yīng)用的范圍比較廣，并且能夠應(yīng)用于干性食品。目前，國(guó)際空間站輻照食品主要是肉類和面包。韓國(guó)學(xué)者將營(yíng)養(yǎng)棒、即食面條及2 種朝鮮傳統(tǒng)食品（朝鮮泡菜、肉桂飲料）經(jīng)高劑量γ射線輻射處理開(kāi)發(fā)為航天食品[14-15]。通過(guò)添加乳酸鈣、VC及溫和加熱、低溫冷藏和25 kGy γ射線輻射處理，將朝鮮泡菜加工成即食航天食品。營(yíng)養(yǎng)棒、即食面條及肉桂飲料分別在15、10、6 kGy的劑量下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以上3 種食品均經(jīng)過(guò)了俄羅斯生物醫(yī)學(xué)問(wèn)題研究院30 d太空飛行的驗(yàn)證。

1.2.1.2 新鮮食品

為提高食品接受性，國(guó)際空間站為航天員提供了新鮮食品，主要是水果和蔬菜?？芍苯邮秤茫ㄈ缣O(píng)果）或用于制作蔬菜色拉[16]。

1.2.1.3 冷藏食品

國(guó)際空間站配置有食品用冰箱。冷藏的作用體現(xiàn)在2 個(gè)方面：一方面可提供新鮮食品，空間站的冷藏食品主要是乳制品和水果，包括干酪、酸奶油、蘋(píng)果、葡萄柚、橙和李子；另一方面，提供開(kāi)袋或開(kāi)罐后的大包裝食品所需的冷藏環(huán)境，延緩食品發(fā)生腐敗變質(zhì)的速度，保障其食用安全[17]。

1.2.1.4 功能食品

航天功能食品是以航天飛行特因環(huán)境對(duì)人體的不利影響為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)添加確定保健功能的功能因子到航天食品中，航天員在軌長(zhǎng)期食用以實(shí)現(xiàn)其功效。功能食品不同于藥物，是一種溫和的長(zhǎng)期的作用過(guò)程，類似于食療食養(yǎng)?？臻g飛行對(duì)生物體的顯著危害之一是空間輻射。食品中的成分如天然抗氧化劑（如原花青素）、Ω-3脂肪酸，甚至是植物的膳食纖維都可以預(yù)防或改善輻射造成的傷害。在前蘇聯(lián)航天食品中，曾應(yīng)用沙棘或葡萄籽提取物開(kāi)發(fā)的抗輻射功能食品[18-19]。

在航天器密閉的居住環(huán)境內(nèi)，一些相對(duì)普通的感染（如流行性腦脊髓膜炎、青霉素抵抗葡萄球菌屬等）也可能會(huì)危及生命，并對(duì)航天員執(zhí)行任務(wù)構(gòu)成威脅。通常乘組航天員罹患各種感染性疾病也有可能是由真菌超敏性或保護(hù)腸道菌群的退化引起的[4,20]。意大利空間局學(xué)者將普通酸奶及添加藍(lán)莓的酸乳經(jīng)凍干處理，開(kāi)發(fā)成了風(fēng)味獨(dú)特、富含鈣且含有益生菌的航天食品，食用這種類型的食品可以對(duì)抗微重力導(dǎo)致的腸道菌群退化[21]。

1.2.2 航天食品加工及營(yíng)養(yǎng)素保持技術(shù)研究

造成營(yíng)養(yǎng)攝入不足的原因是多方面的，包括食品在加工和貯藏過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)素的損失及航天食品系統(tǒng)的可接受性差等因素。食品在加工和貯藏過(guò)程中損失營(yíng)養(yǎng)素，航天員將無(wú)法攝入充足的營(yíng)養(yǎng)。貯藏溫度和時(shí)間對(duì)食品維生素含量具有顯著影響，2 年貯藏實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：幾種水果和蔬菜貯藏溫度為27 ℃時(shí)，VC、VB1和VB2損失率高達(dá)58%；貯藏溫度為10 ℃時(shí)，維生素最大損失率為38%[5,22-23]。

熱穩(wěn)定食品因其保質(zhì)期長(zhǎng)，是長(zhǎng)期載人飛行航天食品的主要類型，目前已有熱穩(wěn)定食品商業(yè)化加工裝置，如圖1所示。熱穩(wěn)定食品經(jīng)過(guò)了破壞性的熱處理加工過(guò)程，造成營(yíng)養(yǎng)損失、風(fēng)味劣變及其他食品品質(zhì)的改變，這些改變?nèi)Q于食品成分本身，且與貯藏條件有關(guān)。長(zhǎng)期飛行任務(wù)需要食品保質(zhì)期延至3～5 年[24]，因此，2008年美國(guó)開(kāi)展了一項(xiàng)食品貨架期加速實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品包括一種富含淀粉的土豆制品及一種水果制品。在淀粉食品中，葉酸、泛酸隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈顯著降低趨勢(shì)；此外，風(fēng)味亦隨時(shí)間改變，主要是出現(xiàn)酸敗味、芳香降低及風(fēng)味的整體降低。水果制品中VC及葉酸含量隨時(shí)間延長(zhǎng)顯著降低，水果顏色逐漸變深[1,5,24]。

圖1 熱穩(wěn)定食品加工裝置Fig. 1 Thermally stable food processing apparatus

飛行乘組航天員依賴航天食品來(lái)滿足其營(yíng)養(yǎng)需求，由于航天食品在加工過(guò)程中經(jīng)歷熱殺菌處理，儲(chǔ)運(yùn)期間經(jīng)歷振動(dòng)沖擊，太空長(zhǎng)期貯存期間受到輻射累積效應(yīng)，航天員在軌食用時(shí)，其質(zhì)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)已經(jīng)有不同程度的損失。為了評(píng)價(jià)長(zhǎng)期航天飛行任務(wù)過(guò)程中食品的營(yíng)養(yǎng)素變化，NASA正在開(kāi)展長(zhǎng)期貯藏食品的微量營(yíng)養(yǎng)素變化研究。目前，已有15 個(gè)食品樣品（熱穩(wěn)定或輻照殺菌）被用來(lái)進(jìn)行研究。結(jié)果表明加工后VC含量均降低約47%，VB1及VA含量有不同程度降低，分別是38%及17%[25-28]。

航天食品作為營(yíng)養(yǎng)素的載體，采用適宜的加工和包裝技術(shù)是保證其營(yíng)養(yǎng)素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的前提。航天食品工藝改進(jìn)最有應(yīng)用潛力的2 類技術(shù)包括超高壓處理和微波滅菌，應(yīng)用這些技術(shù)有助于維持食品的天然新鮮度及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，延長(zhǎng)保質(zhì)期[29-30]。

圖2 部分航天食品包裝[31]Fig. 2 Space food package samples[31]

同時(shí)，航天食品包裝對(duì)食品營(yíng)養(yǎng)特性的保持至關(guān)重要，針對(duì)不同類型航天食品已經(jīng)開(kāi)發(fā)出形式各樣的包裝，見(jiàn)圖2。食品包裝新技術(shù)的發(fā)展為航天食品的研制提供了新的思路。食品抗菌包裝可以有效抑制被包裝食品中微生物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)食品的貨架期，而應(yīng)用安全性的天然抗菌劑制備的抗菌包裝膜和抗菌紙具有很大的應(yīng)用前景。將先進(jìn)的智能化標(biāo)簽技術(shù)應(yīng)用于食品包裝，能主動(dòng)地表征食品的品質(zhì)，具有科學(xué)、客觀及直觀等優(yōu)勢(shì)，有助于提升航天食品的全程安全監(jiān)控。此外，可降解材料、可食性材料對(duì)于減輕空間站餐余垃圾處理負(fù)擔(dān)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，這2 種材料的阻隔性及穩(wěn)定性是重點(diǎn)攻關(guān)方向，歐盟Banus項(xiàng)目的目標(biāo)就是開(kāi)發(fā)新型阻隔性食品包裝，并確保其功能性阻隔層的安全性[32]。

1.2.3 航天食品對(duì)航天員的心理支持作用

長(zhǎng)期航天飛行帶來(lái)的心理問(wèn)題的原因主要包括2 個(gè)方面：1）隨著時(shí)間的延長(zhǎng)帶來(lái)的逐漸持續(xù)的心理問(wèn)題，某些壓力因素是環(huán)境固有的，如長(zhǎng)期禁閉，與地球、國(guó)家、文化、家鄉(xiāng)、家庭及傳統(tǒng)的感情支持因素的分離；2）在軌發(fā)生的及地面發(fā)生的不良事件，如家庭事故、乘員間的摩擦、持久的睡眠不足、黑暗的/擁擠的空間站、繁重的工作、延期返回、艙器故障、語(yǔ)言障礙、習(xí)俗誤解及持續(xù)的系統(tǒng)錯(cuò)誤等[4,18]。在上述諸多不良生理及心理問(wèn)題下，航天食品的作用得到了拓展。根據(jù)航天員反映[22]，航天食品是少數(shù)樂(lè)趣來(lái)源之一：他們很清楚還剩下哪些食物、誰(shuí)吃哪種食物、何時(shí)吃；他們制做和食用食物過(guò)程中的樂(lè)趣不斷增加；食物是乘組航天員增加親和力的重要因素，用餐時(shí)可以增進(jìn)交流。因此，完美的航天食品系統(tǒng)被賦予并滿足營(yíng)養(yǎng)、心理、可接受性及多樣性的需求。

1.3 登月及火星探測(cè)任務(wù)航天食品

1.3.1 登月任務(wù)航天食品

阿波羅計(jì)劃給航天員提供了不同種類的脫水食品、牙膏管狀食品及一口大小食品。然而，航天員并不經(jīng)常在進(jìn)餐上耗費(fèi)太多的時(shí)間，而且對(duì)其中的一些食品類型并不是特別喜歡[1]。

重返月球項(xiàng)目計(jì)劃在月面建立生活居住基地，如圖3所示。一個(gè)居住基地可以將食品的供應(yīng)種類擴(kuò)展到包含一些生長(zhǎng)較快的綠色蔬菜，能夠培養(yǎng)、種植大量不同種類的食物，比如大豆、小麥、花生、稻子等農(nóng)作物。美國(guó)學(xué)者研究表明尼羅河羅非魚(yú)是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的食品原料，無(wú)論將其應(yīng)用于食品再生系統(tǒng)還是開(kāi)發(fā)為航天食品都有很大潛力，可以減輕廢物處理負(fù)擔(dān)[25,35-36]。

月球表面大氣中二氧化碳所占的比例高于地球，壓強(qiáng)約為55～70 kPa，而不是地球的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101 kPa。高含量的二氧化碳可以提高許多植物光合作用的速率并增加植物性食物產(chǎn)量。在月球上作為食品來(lái)源的植物很可能是生長(zhǎng)在密閉受控空間中的，氧氣、二氧化碳、濕度、溫度需要嚴(yán)格控制。同時(shí)，植物在只有地球1/6重力的環(huán)境中生長(zhǎng)，低重力環(huán)境對(duì)月球上農(nóng)作物的可持續(xù)利用程度將是一個(gè)挑戰(zhàn)[37]。

圖3 月球生活居住基地示意圖[33-34]Fig. 3 Schematic diagram of life in lunar base[33-34]

由于農(nóng)作物的加工與食品的處理技術(shù)都被限定在月球進(jìn)行，食品的加熱和處理迫使食品加工機(jī)械低功耗且便于操作。因?yàn)槭艿竭\(yùn)載質(zhì)量和體積的限制，所有的食品加工機(jī)械都必須是多功能的[31]。

1.3.2 載人火星探測(cè)任務(wù)航天食品

美俄在火星探測(cè)領(lǐng)域走在世界前列，近年來(lái)俄羅斯開(kāi)展了MARS500載人火星模擬實(shí)驗(yàn)，美國(guó)火星探索車成功登陸火星，航天活動(dòng)逐漸進(jìn)入火星時(shí)代[38]。

火星表面溫差較大，大氣稀薄，主要成分為二氧化碳，還有少量的氮?dú)?、氬氣和微量水蒸氣，沒(méi)有氧氣，表面壓強(qiáng)約0.6 kPa，大約相當(dāng)于地球的1/180。載人火星探測(cè)乘組航天員從地球出發(fā)到達(dá)火星表面需經(jīng)過(guò)6～8 個(gè)月的飛行，這期間主要靠預(yù)包裝食品系統(tǒng)的支持，乘組航天員到達(dá)火星表面后，駐留在火星表面生活18 個(gè)月再返回，期間主要依賴受控生態(tài)系統(tǒng)提供食材并加工成可食用的食品，預(yù)包裝食品系統(tǒng)作為補(bǔ)充[3]。因此生命保障系統(tǒng)的研制將以年計(jì)（表1）?？諝狻⑺?、食品及垃圾的設(shè)計(jì)特性與空間站或月球基地相比，更加突出循環(huán)特征（表2）。

表1 長(zhǎng)期空間駐留期間每年每人的消耗品總質(zhì)量[18,37]Table 1 Total mass of consumables during long-term space resident for one-year period[18,37]

表2 不同任務(wù)階段空氣、水、食品及垃圾設(shè)計(jì)特性[18,37]Table 2 Design features of air, water, foods and garbage for different tasks[18,37]

火星表面再生生命支持系統(tǒng)（受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)）將再生生物與物理化學(xué)過(guò)程結(jié)合起來(lái)，可以通過(guò)利用高等植物光合作用生產(chǎn)食品、飲用水及新鮮空氣。受控生態(tài)生命支持系統(tǒng)生產(chǎn)的高等植物將是航天員的主要食材[39]，包括小麥、土豆、甜土豆、大豆、花生、大米及干豆；涼拌菜食材包括西紅柿、胡蘿卜、甜菜、菠菜、卷心菜、洋蔥、生菜及小蘿卜。食品加工設(shè)備要采用多種用途設(shè)計(jì)，可自動(dòng)化或人工控制，需要考慮的因素主要包括安全、功率、體積、用水量、空氣污染、廢物產(chǎn)生量、清潔及噪音等。NASA正在研制一種多功能果蔬處理系統(tǒng)[40-41]，功能主要包括切削、加熱、分離及濃縮。以西紅柿為例，可以加工成西紅柿片、西紅柿汁、西紅柿醬、西紅柿湯等；同時(shí)也可加工胡蘿卜、甜菜等其他蔬菜。

2 長(zhǎng)期飛行航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

2.1 登月與長(zhǎng)期駐月

現(xiàn)階段的短期和中長(zhǎng)期載人航天活動(dòng)中，航天食品是從地面攜帶或定期運(yùn)送，以目前的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)是可行的。月球往返和短期駐留可沿用這種方式，但對(duì)未來(lái)建立月球基地等長(zhǎng)期載人航天任務(wù)，現(xiàn)有的供給方式將不再適用，食品系統(tǒng)必然從現(xiàn)有的供給方式向依靠生物再生食品系統(tǒng)過(guò)渡，以保障長(zhǎng)期飛行任務(wù)的需要。新型高效登月食品及飲水保障技術(shù)、月球基地生物再生食品加工裝備、月面餐（廚）余垃圾處理技術(shù)等研究是面臨的主要課題。其中高效登月食品及飲水保障技術(shù)需要進(jìn)行新型登月食品、飲水及其伺服裝置攻關(guān)，以滿足地月往返、月面活動(dòng)期間飲食供給任務(wù)的需求。此外，針對(duì)地月往返長(zhǎng)期飛行及月面活動(dòng)面臨的多種空間特因環(huán)境，需要開(kāi)發(fā)配套的功能食品，如抗疲勞、抗輻射、抗月塵危害、維護(hù)腸道菌群平衡等。月球基地生物再生食品加工裝備則需滿足密閉、便于操作維護(hù)、低能耗、多功能及衛(wèi)生等基本性能要求。

2.2 載人火星探測(cè)

火星是人類載人航天活動(dòng)的下一站，這一準(zhǔn)備期至少需要10～15 年，在此期間現(xiàn)有的食品及飲水加工技術(shù)將取得重大的進(jìn)步：如先進(jìn)的生物再生技術(shù)將為乘組航天員提供新鮮蔬菜，保證天然維生素的供給量；先進(jìn)的生物再生生保系統(tǒng)將集成生態(tài)學(xué)、微生物學(xué)、毒理學(xué)、衛(wèi)生學(xué)和營(yíng)養(yǎng)學(xué)等，積極發(fā)揮人、動(dòng)物、植物及微生物的能動(dòng)性，使閉路循環(huán)更加完善，能夠提供讓航天員滿意的食物和飲水，并能夠有效清除垃圾，保證微生物安全。隨著新輔料和新技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)，營(yíng)養(yǎng)素透皮吸收的應(yīng)用將有著廣闊的前景，出艙活動(dòng)、執(zhí)行繁重的星面任務(wù)或者消化系統(tǒng)疾患等導(dǎo)致飲食障礙時(shí)，透皮吸收可以作為飲食保障技術(shù)的有效補(bǔ)充。

3 結(jié) 語(yǔ)

空間站、載人登月及載人火星探測(cè)等長(zhǎng)期載人航天飛行環(huán)境下，機(jī)體營(yíng)養(yǎng)代謝發(fā)生了明顯的變化，需要立足于這些變化開(kāi)展航天營(yíng)養(yǎng)代謝研究。為乘組航天員提供營(yíng)養(yǎng)均衡、保質(zhì)期長(zhǎng)、感官接受性好、利用度高的航天食品是保障其健康和高效工作的重要前提。月球基地或火星基地航天員食物保障模式需要從地面攜帶方式向就地取材加工轉(zhuǎn)變，如何實(shí)現(xiàn)月面或火星表面的食物種植及食材綜合加工利用技術(shù)是未來(lái)航天食品保障技術(shù)研究的重要課題。

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