長期載人航天飛行航天營養與食品研究進展

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中不可或缺的，而且隨著飛行時間的延長，其重要性逐漸凸顯[1]。目前，美俄正在開展多項載人太空探索計劃，其中美國航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）近期開展的夏威夷太空探索模擬與仿真任務，目的就是驗證長期生活在火星或月球期間航天員保持良好營養狀態的最佳方式，為深空載人探測任務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驗更凸顯了航天食品保障的重要性，實驗過程中多名受試者出現“食譜疲勞”，甚至對平時喜愛的食品產生厭倦[3]。因此，系統調研國際航天營養及食品研究現狀和發展趨勢，對于我國航天營養與食品研究具有重要的啟示意義。本文就長期載人航天飛行任務航天營養與食品研究現狀進行綜述，并分析了目前我國航天營養與食品研究面臨的挑戰。

1 航天營養與食品研究現狀分析

1.1 航天營養

航天特因環境下（空間微重力、載人航天器噪聲、振動、狹小空間及晝夜節律變化等）載人飛行帶來的生理問題是多方面的，包括體質量降低、體液轉移、脫水、便秘、電解質失衡、鈣丟失、鉀丟失、紅細胞質量減少、空間運動病及腸道微生態失調[4]。航天營養是研究航天特因環境對機體生理和代謝的影響規律和作用機理的一門學科[5-6]。膳食營養由2 個部分組成，即必需營養素和熱能形式的能量。缺乏營養的情況下存在不能健康生活和工作的危險。不適當的營養包括雖然攝入了足夠的熱量，但某些營養素的攝入不足或過量，這可能導致相應的營養素缺乏或過量的癥狀，例如壞血病、腳氣病等[7]。

空間飛行膳食營養狀態的改變可能會造成乘組航天員免疫功能降低[8]。乘組航天員的能量及營養攝入量降低，直接的表現就是體質量降低，同時也觀察到免疫功能的改變，比如：分裂素增殖反應的降低與VB6、VB12、生物素、VE、銅或硒缺乏有關；遲發型超敏反應的產生與VB6、VB12、VC或鐵缺乏相關；蛋白質及個別氨基酸缺乏對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養是對抗航天飛行期間免疫功能失調的有效措施之一。

飛行乘組執行國際空間站任務期間，與執行空間實驗室及“和平”號空間站任務一樣，航天員通過尿液排出的膠原蛋白交聯物均有100%～150%的增加，預示著3 次任務期間乘組航天員尿液中有相同的骨代謝標志物，且機體抗氧化能力有下降趨勢[10-11]。美國2009年度的人類研究計劃報道，膳食攝入能夠抵抗太空飛行期間骨代謝的改變，檸檬酸鉀作為腎結石的非運動對抗方案，已從飛行觀察階段轉入臨床研究階段。補充二磷酸鹽可作為骨丟失的對抗措施[12-13]。

因此，提供充足、均衡的營養，并使之得到有效吸收利用，是對載人航天任務乘組航天員健康的重要保障。

1.2 航天食品研究

食品是營養素的載體，航天食品是航天員在軌執行飛行任務時唯一的營養來源。與普通地面食品不同，研制航天食品時需考慮諸多的資源限制因素，如質量、體積、功耗、在軌飛行時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相對成熟，并得到了廣泛應用，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

輻照殺菌對食品品質的影響非常小，可以應用于大規模生產，應用的范圍比較廣，并且能夠應用于干性食品。目前，國際空間站輻照食品主要是肉類和面包。韓國學者將營養棒、即食面條及2 種朝鮮傳統食品（朝鮮泡菜、肉桂飲料）經高劑量γ射線輻射處理開發為航天食品[14-15]。通過添加乳酸鈣、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。營養棒、即食面條及肉桂飲料分別在15、10、6 kGy的劑量下進行實驗，以上3 種食品均經過了俄羅斯生物醫學問題研究院30 d太空飛行的驗證。

1.2.1.2 新鮮食品

為提高食品接受性，國際空間站為航天員提供了新鮮食品，主要是水果和蔬菜。可直接食用（如蘋果）或用于制作蔬菜色拉[16]。

1.2.1.3 冷藏食品

國際空間站配置有食品用冰箱。冷藏的作用體現在2 個方面：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、蘋果、葡萄柚、橙和李子；另一方面，提供開袋或開罐后的大包裝食品所需的冷藏環境，延緩食品發生腐敗變質的速度，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境對人體的不利影響為出發點，通過添加確定保健功能的功能因子到航天食品中，航天員在軌長期食用以實現其功效。功能食品不同于藥物，是一種溫和的長期的作用過程，類似于食療食養。空間飛行對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防或改善輻射造成的傷害。在前蘇聯航天食品中，曾應用沙棘或葡萄籽提取物開發的抗輻射功能食品[18-19]。

在航天器密閉的居住環境內，一些相對普通的感染（如流行性腦脊髓膜炎、青霉素抵抗葡萄球菌屬等）也可能會危及生命，并對航天員執行任務構成威脅。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腸道菌群的退化引起的[4,20]。意大利空間局學者將普通酸奶及添加藍莓的酸乳經凍干處理，開發成了風味獨特、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抗微重力導致的腸道菌群退化[21]。

1.2.2 航天食品加工及營養素保持技術研究

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

熱穩定食品因其保質期長，是長期載人飛行航天食品的主要類型，目前已有熱穩定食品商業化加工裝置，如圖1所示。熱穩定食品經過了破壞性的熱處理加工過程，造成營養損失、風味劣變及其他食品品質的改變，這些改變取決于食品成分本身，且與貯藏條件有關。長期飛行任務需要食品保質期延至3～5 年[24]，因此，2008年美國開展了一項食品貨架期加速實驗研究，實驗產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、泛酸隨著時間的延長呈顯著降低趨勢；此外，風味亦隨時間改變，主要是出現酸敗味、芳香降低及風味的整體降低。水果制品中VC及葉酸含量隨時間延長顯著降低，水果顏色逐漸變深[1,5,24]。

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

飛行乘組航天員依賴航天食品來滿足其營養需求，由于航天食品在加工過程中經歷熱殺菌處理，儲運期間經歷振動沖擊，太空長期貯存期間受到輻射累積效應，航天員在軌食用時，其質構和營養已經有不同程度的損失。為了評價長期航天飛行任務過程中食品的營養素變化，NASA正在開展長期貯藏食品的微量營養素變化研究。目前，已有15 個食品樣品（熱穩定或輻照殺菌）被用來進行研究。結果表明加工后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]。

航天食品作為營養素的載體，采用適宜的加工和包裝技術是保證其營養素化學性質穩定的前提。航天食品工藝改進最有應用潛力的2 類技術包括超高壓處理和微波滅菌，應用這些技術有助于維持食品的天然新鮮度及營養品質，延長保質期[29-30]。

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

同時，航天食品包裝對食品營養特性的保持至關重要，針對不同類型航天食品已經開發出形式各樣的包裝，見圖2。食品包裝新技術的發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，延長食品的貨架期，而應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用前景。將先進的智能化標簽技術應用于食品包裝，能主動地表征食品的品質，具有科學、客觀及直觀等優勢，有助于提升航天食品的全程安全監控。此外，可降解材料、可食性材料對于減輕空間站餐余垃圾處理負擔具有顯著的優勢，這2 種材料的阻隔性及穩定性是重點攻關方向，歐盟Banus項目的目標就是開發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 航天食品對航天員的心理支持作用

長期航天飛行帶來的心理問題的原因主要包括2 個方面：1）隨著時間的延長帶來的逐漸持續的心理問題，某些壓力因素是環境固有的，如長期禁閉，與地球、國家、文化、家鄉、家庭及傳統的感情支持因素的分離；2）在軌發生的及地面發生的不良事件，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、語言障礙、習俗誤解及持續的系統錯誤等[4,18]。在上述諸多不良生理及心理問題下，航天食品的作用得到了拓展。根據航天員反映[22]，航天食品是少數樂趣來源之一：他們很清楚還剩下哪些食物、誰吃哪種食物、何時吃；他們制做和食用食物過程中的樂趣不斷增加；食物是乘組航天員增加親和力的重要因素，用餐時可以增進交流。因此，完美的航天食品系統被賦予并滿足營養、心理、可接受性及多樣性的需求。

1.3 登月及火星探測任務航天食品

1.3.1 登月任務航天食品

阿波羅計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，航天員并不經常在進餐上耗費太多的時間，而且對其中的一些食品類型并不是特別喜歡[1]。

重返月球項目計劃在月面建立生活居住基地，如圖3所示。一個居住基地可以將食品的供應種類擴展到包含一些生長較快的綠色蔬菜，能夠培養、種植大量不同種類的食物，比如大豆、小麥、花生、稻子等農作物。美國學者研究表明尼羅河羅非魚是一種營養價值很高的食品原料，無論將其應用于食品再生系統還是開發為航天食品都有很大潛力，可以減輕廢物處理負擔[25,35-36]。

月球表面大氣中二氧化碳所占的比例高于地球，壓強約為55～70 kPa，而不是地球的標準大氣壓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量。在月球上作為食品來源的植物很可能是生長在密閉受控空間中的，氧氣、二氧化碳、濕度、溫度需要嚴格控制。同時，植物在只有地球1/6重力的環境中生長，低重力環境對月球上農作物的可持續利用程度將是一個挑戰[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]

由于農作物的加工與食品的處理技術都被限定在月球進行，食品的加熱和處理迫使食品加工機械低功耗且便于操作。因為受到運載質量和體積的限制，所有的食品加工機械都必須是多功能的[31]。

1.3.2 載人火星探測任務航天食品

美俄在火星探測領域走在世界前列，近年來俄羅斯開展了MARS500載人火星模擬實驗，美國火星探索車成功登陸火星，航天活動逐漸進入火星時代[38]。

火星表面溫差較大，大氣稀薄，主要成分為二氧化碳，還有少量的氮氣、氬氣和微量水蒸氣，沒有氧氣，表面壓強約0.6 kPa，大約相當于地球的1/180。載人火星探測乘組航天員從地球出發到達火星表面需經過6～8 個月的飛行，這期間主要靠預包裝食品系統的支持，乘組航天員到達火星表面后，駐留在火星表面生活18 個月再返回，期間主要依賴受控生態系統提供食材并加工成可食用的食品，預包裝食品系統作為補充[3]。因此生命保障系統的研制將以年計（表1）。空氣、水、食品及垃圾的設計特性與空間站或月球基地相比，更加突出循環特征（表2）。

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

表2 不同任務階段空氣、水、食品及垃圾設計特性[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（受控生態生命支持系統）將再生生物與物理化學過程結合起來，可以通過利用高等植物光合作用生產食品、飲用水及新鮮空氣。受控生態生命支持系統生產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。食品加工設備要采用多種用途設計，可自動化或人工控制，需要考慮的因素主要包括安全、功率、體積、用水量、空氣污染、廢物產生量、清潔及噪音等。NASA正在研制一種多功能果蔬處理系統[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；同時也可加工胡蘿卜、甜菜等其他蔬菜。

2 長期飛行航天營養與食品研究面臨的技術挑戰

2.1 登月與長期駐月

現階段的短期和中長期載人航天活動中，航天食品是從地面攜帶或定期運送，以目前的技術和經濟是可行的。月球往返和短期駐留可沿用這種方式，但對未來建立月球基地等長期載人航天任務，現有的供給方式將不再適用，食品系統必然從現有的供給方式向依靠生物再生食品系統過渡，以保障長期飛行任務的需要。新型高效登月食品及飲水保障技術、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需要進行新型登月食品、飲水及其伺服裝置攻關，以滿足地月往返、月面活動期間飲食供給任務的需求。此外，針對地月往返長期飛行及月面活動面臨的多種空間特因環境，需要開發配套的功能食品，如抗疲勞、抗輻射、抗月塵危害、維護腸道菌群平衡等。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、低能耗、多功能及衛生等基本性能要求。

2.2 載人火星探測

火星是人類載人航天活動的下一站，這一準備期至少需要10～15 年，在此期間現有的食品及飲水加工技術將取得重大的進步：如先進的生物再生技術將為乘組航天員提供新鮮蔬菜，保證天然維生素的供給量；先進的生物再生生保系統將集成生態學、微生物學、毒理學、衛生學和營養學等，積極發揮人、動物、植物及微生物的能動性，使閉路循環更加完善，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的不斷開發，營養素透皮吸收的應用將有著廣闊的前景，出艙活動、執行繁重的星面任務或者消化系統疾患等導致飲食障礙時，透皮吸收可以作為飲食保障技術的有效補充。

3 結 語

空間站、載人登月及載人火星探測等長期載人航天飛行環境下，機體營養代謝發生了明顯的變化，需要立足于這些變化開展航天營養代謝研究。為乘組航天員提供營養均衡、保質期長、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變，如何實現月面或火星表面的食物種植及食材綜合加工利用技術是未來航天食品保障技術研究的重要課題。

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