國(guó)外航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究進(jìn)展

武艷萍 強(qiáng)靜 （中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心）

國(guó)外航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究進(jìn)展

武艷萍 強(qiáng)靜 （中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心）

隨著載人航天的不斷發(fā)展，航天員太空停留時(shí)間也從加加林最初的1h48min增加到如今“國(guó)際空間站”常規(guī)駐留6個(gè)月，而由美國(guó)航天員斯科特·凱利和俄羅斯航天員米哈伊爾·科爾年柯共同執(zhí)行的“國(guó)際空間站”1年期駐留任務(wù)也于2016年3月2日順利結(jié)束?；仡櫴澜巛d人航天走過(guò)的歷程，一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是：每一次載人航天任務(wù)的順利完成，都與乘員良好的食品與營(yíng)養(yǎng)保障密不可分，尤其是隨著太空駐留時(shí)間的延長(zhǎng)，航天食品與營(yíng)養(yǎng)對(duì)乘員生理和心理的健康以及工作績(jī)效方面的影響將愈加重要。為此，對(duì)航天營(yíng)養(yǎng)與食品提出了更高的要求，以滿足長(zhǎng)期載人航天的需要。

1　基于“國(guó)際空間站”長(zhǎng)期駐留乘員營(yíng)養(yǎng)與食品保障的研究

“國(guó)際空間站”乘員營(yíng)養(yǎng)與食品保障方案主要是基于美俄聯(lián)合項(xiàng)目“航天飛機(jī)-和平號(hào)”計(jì)劃而形成的，目前“國(guó)際空間站”乘員膳食營(yíng)養(yǎng)保障所遵循的仍然是1996年美俄專家共同制定的標(biāo)準(zhǔn)—《“國(guó)際空間站”360天內(nèi)任務(wù)每日膳食推薦量》（JSC-28038），從聯(lián)合食譜的配置到食品供給管理等都相對(duì)完善和成熟，基本保證了“國(guó)際空間站”乘員的營(yíng)養(yǎng)健康。然而，受當(dāng)時(shí)研究條件、技術(shù)手段等因素的限制，仍有知識(shí)空白，仍有需要完善和不斷提高的地方。在針對(duì)“國(guó)際空間站”乘員營(yíng)養(yǎng)與食品保障方面的研究，主要有以下幾方面。

長(zhǎng)期飛行中乘員的營(yíng)養(yǎng)健康監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)

（包括乘員臨床營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)）

NASA食品科學(xué)家在烹飪新鮮蔬菜

關(guān)于乘員在航天飛行中的營(yíng)養(yǎng)及生理變化，雖然在“國(guó)際空間站”之前的任務(wù)中也獲取過(guò)一些數(shù)據(jù)和信息，但由于樣本量少、數(shù)據(jù)不完整等原因，還不能全面深刻了解機(jī)體在微重力環(huán)境下的營(yíng)養(yǎng)代謝情況和機(jī)理。為了給長(zhǎng)期飛行乘員提出理想的營(yíng)養(yǎng)需求標(biāo)準(zhǔn)和膳食建議，保證航天員健康，自“國(guó)際空間站”運(yùn)行15年來(lái)，由美國(guó)航空航天局（NASA）約翰遜航天中心（JSC）史密斯（Smith SM）等人組成的研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)“國(guó)際空間站”長(zhǎng)期考察乘組乘員的營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行了持續(xù)不斷的深入觀察和研究，從而不斷完善“國(guó)際空間站”乘員營(yíng)養(yǎng)健康評(píng)估體系，為乘員在軌膳食營(yíng)養(yǎng)建議、返回后康復(fù)、調(diào)整食品供給等方面提供了重要的支持。

“國(guó)際空間站”第1～14長(zhǎng)期考察組乘員營(yíng)養(yǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

（1）乘員營(yíng)養(yǎng)狀況基礎(chǔ)性監(jiān)測(cè)

從研究脈絡(luò)看，首先對(duì)“國(guó)際空間站”建設(shè)和組裝期第1～14乘組的營(yíng)養(yǎng)狀況進(jìn)行了觀察，主要是了解長(zhǎng)期飛行對(duì)乘員營(yíng)養(yǎng)狀況的影響，同時(shí)對(duì)與太空飛行健康風(fēng)險(xiǎn)，如骨鈣丟失、腎結(jié)石等有關(guān)的營(yíng)養(yǎng)素和生物標(biāo)記進(jìn)行了觀察，監(jiān)測(cè)依據(jù)是JSC#28566（駐留期延長(zhǎng)的航天飛行任務(wù)乘員營(yíng)養(yǎng)狀況評(píng)估，修訂版1，2000）。

由于當(dāng)時(shí)還不能實(shí)現(xiàn)將在軌采集的血、尿帶回地面進(jìn)行分析，飛行中只進(jìn)行了膳食攝入和有限的生化指標(biāo)測(cè)量，大部分?jǐn)?shù)據(jù)是飛行前、后（飛行前第180天、第45天，飛行后2～4h）的對(duì)比。

早期的主要研究結(jié)果有：

飛行期間，乘員攝入的膳食能量占推薦量的80%，能量攝入低仍然是乘員的重要問(wèn)題。因?yàn)椋瑥恼w而言，它與維生素、礦物質(zhì)攝入不足相關(guān)。飛行后營(yíng)養(yǎng)狀況發(fā)生顯著變化，有些可能與膳食攝入不足有關(guān)，而其他則明顯是受航天飛行的影響。根據(jù)“天空實(shí)驗(yàn)室”（SkyLab）空間站的代謝研究結(jié)果可知，乘員可以吃進(jìn)推薦量的能量，能量攝入低可能與每餐準(zhǔn)備時(shí)間或分配給每餐的時(shí)間有關(guān)。

4～6個(gè)月的長(zhǎng)期飛行后，不僅是維生素D營(yíng)養(yǎng)狀況下降，而且機(jī)體對(duì)維生素D代謝和作用的正常反應(yīng)也發(fā)生了改變。這由此也引發(fā)了對(duì)維生素D缺乏臨界點(diǎn)的關(guān)注和爭(zhēng)論，因?yàn)檫^(guò)去的推薦量是基于僅僅預(yù)防佝僂病和骨軟化，沒(méi)有考慮慢性營(yíng)養(yǎng)缺乏癥，而已經(jīng)證實(shí)維生素D也是長(zhǎng)潛伏期疾病的一個(gè)重要決定因素，癥狀明顯的缺乏和邊緣性缺乏都應(yīng)該考慮。因此，如果按一些研究所建議的血清25（OH）-維生素D3水平應(yīng)該在80nmol/L左右，那將意味著80%～90%的受試者飛行前和飛行后的維生素D狀況都不是最理想。

著陸后，維生素D狀況的改變還伴隨著骨吸收增加的證據(jù)，著陸后尿中的骨吸收標(biāo)記比發(fā)射前高40%～75%，數(shù)據(jù)支持以前的發(fā)現(xiàn)。

著陸后，航天員尿中鎂和磷的濃度約比發(fā)射前低45%，以前的航天飛行研究結(jié)果一致認(rèn)為，尿中鎂明顯下降，可能是由于鎂的攝入減少。尿中鎂的減少應(yīng)該是長(zhǎng)期飛行的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)殒V有抑制草酸鈣形成腎結(jié)石的作用。

維生素K在航天飛行中的作用必須進(jìn)一步評(píng)估。飛行期間，血清中維生素K濃度低于飛行前，維生素K水平下降也寓意著骨健康下降，維生素K與蛋白質(zhì)中的羧基谷氨酸形成有關(guān)，如骨鈣素和細(xì)胞間質(zhì)羧基谷氨酸蛋白。

航天飛行對(duì)葉酸和維生素E也有影響。發(fā)射前，大部分被研究者的紅細(xì)胞葉酸在或接近正常范圍的上限，著陸后他們大部分人的紅細(xì)胞葉酸則趨向正常范圍的下限，還不知道這種下降是會(huì)達(dá)到平衡還是隨著任務(wù)期的延長(zhǎng)會(huì)繼續(xù)下降。食品加工技術(shù)不會(huì)減少航天飛行膳食中葉酸的有效性，這樣飛行中食物攝入不足而非葉酸有效性有限，可能是葉酸狀況下降的一個(gè)關(guān)鍵促成因素。每周攝入的復(fù)合維生素量與紅細(xì)胞葉酸水平正相關(guān)（r=0.62，P＜0.05），由此提示，飛行中葉酸營(yíng)養(yǎng)狀況下降可能與葉酸攝入減少有關(guān)。著陸后γ-生育酚而不是α-生育酚水平顯著下降，這可能是由于總的食物攝入下降引起，或由輻射/氧化應(yīng)激所致。而α-生育酚沒(méi)有發(fā)生變化，可能與飛行中使用補(bǔ)充劑有關(guān)。

在空間站的日本航天員手拿筷子，身邊兩個(gè)裝著食品的袋子在自由飄動(dòng)

飛行環(huán)境中的一些氧化應(yīng)激因素可潛在誘導(dǎo)生物系統(tǒng)發(fā)生氧化損傷，這樣的應(yīng)激因素有兩個(gè)：輻射損傷和間歇性高氧癥。著陸后，超氧岐化酶的下降提示飛行中抗氧化能力下降，著陸后血清中8-OH-鳥苷酸水平高于發(fā)射前，提示飛行后機(jī)體DNA損傷增加。8-OH-鳥苷酸的增加程度與主動(dòng)吸煙和被動(dòng)暴露在吸煙環(huán)境中的影響類似。

飛行中機(jī)體鐵代謝發(fā)生了改變，作為暴露在微重力環(huán)境的結(jié)果，儲(chǔ)鐵池可能發(fā)生了改變。因?yàn)殍F蛋白濃度增加和血清鐵濃度減少，造成這些改變的可能性是急性炎癥反應(yīng)沒(méi)能被排除。然而，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他急性期蛋白（如血漿銅藍(lán)蛋白）發(fā)生變化提示，可能有多個(gè)機(jī)制參與了。

這些研究數(shù)據(jù)證明：骨丟失、維生素狀況受損、氧化損傷是航天飛行中最重要的營(yíng)養(yǎng)關(guān)注，同時(shí)還要關(guān)注飛行中長(zhǎng)期儲(chǔ)存和輻射暴露下食品系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)素的穩(wěn)定性。

（2）營(yíng)養(yǎng)素與長(zhǎng)期飛行健康風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性研究

前期基于飛行前和飛行后營(yíng)養(yǎng)評(píng)估報(bào)告的發(fā)現(xiàn)是引人關(guān)注的，但它只提供了飛行前和飛行后的評(píng)估。為了更好地了解航天飛行對(duì)營(yíng)養(yǎng)的影響，NASA自“國(guó)際空間站”第14長(zhǎng)期考察組開始，將營(yíng)養(yǎng)評(píng)估方案進(jìn)行了擴(kuò)展—增加了飛行后30天這一段時(shí)間的觀察，增加了收集飛行中的血樣和尿樣，增加了另外的營(yíng)養(yǎng)狀況標(biāo)記。關(guān)于增加的營(yíng)養(yǎng)相關(guān)標(biāo)記主要有：為了更好地監(jiān)測(cè)骨健康和對(duì)抗措施的效果，測(cè)定了骨代謝的其他標(biāo)記物，如螺旋肽、骨骼保護(hù)因子（OPG）、NF-κB配體受體激活劑（RANKL）、類胰島素生長(zhǎng)因子-1（IGF-1）；為了更好地鑒定航天飛行中氧化傷害的類型，測(cè)定了氧化損傷的新標(biāo)記物，如8-異前列腺素F2a、蛋白質(zhì)羰基、氧化型和還原型谷胱甘肽；為了更好地了解葉酸、維生素B6的營(yíng)養(yǎng)狀況，以及飛行中和飛行后心血管相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素，將營(yíng)養(yǎng)評(píng)估參數(shù)增加了血清葉酸、血漿吡哆醛5'-磷酸、同型半胱氨酸、飛行期間和飛行后葉酸及維生素B6狀況；此外，應(yīng)激激素以及影響骨和肌肉代謝的激素也將被測(cè)量，如二氫麥角隱亭（DHEA）、脫氫表雄酮（DHEAS）、皮質(zhì)醇、睪酮、雌二醇。這些評(píng)估指標(biāo)的增加將有助于為健康監(jiān)測(cè)和乘員康復(fù)做出更準(zhǔn)確的建議。

關(guān)于營(yíng)養(yǎng)素與長(zhǎng)期飛行健康風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)性的研究主要有：《航天飛行后視覺(jué)改變與依賴維生素B12和葉酸的一碳代謝有關(guān)》、《長(zhǎng)期航天飛行阻抗鍛煉和營(yíng)養(yǎng)對(duì)骨骼的益處：生化檢測(cè)和骨密度儀提供的證據(jù)》、《ω-3脂肪酸或二十五碳烯酸通過(guò)抑制NF-kB活化而阻礙失重誘導(dǎo)的骨丟失：從細(xì)胞到臥床試驗(yàn)再到航天員》、《空間站長(zhǎng)期飛行中乘員鐵營(yíng)養(yǎng)狀況與氧化損傷和骨丟失之間的相關(guān)性》。

也需要進(jìn)一步研究系統(tǒng)與對(duì)抗措施的相互作用，如既可增強(qiáng)肌肉蛋白合成，又不損害骨健康所需要的蛋白質(zhì)氨基酸。輻射暴露、營(yíng)養(yǎng)及食物成分的相互關(guān)系研究才剛剛開始。

航天食品

（1）“國(guó)際空間站”食品營(yíng)養(yǎng)素穩(wěn)定性研究

由于不確定太空的輻射環(huán)境是否對(duì)食品中的營(yíng)養(yǎng)含量有影響，但輻射對(duì)啟動(dòng)食品氧化損傷的潛力是很高的，尤其是許多食品暴露在長(zhǎng)駐留期的時(shí)間里。Zwart等人在2006年7月開始的一個(gè)項(xiàng)目中對(duì)運(yùn)往“國(guó)際空間站”食品的營(yíng)養(yǎng)素穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示維生素效價(jià)隨儲(chǔ)存時(shí)間而下降，但地面儲(chǔ)藏和飛行中艙內(nèi)儲(chǔ)藏之間沒(méi)有差異，研究結(jié)果將為飛船設(shè)計(jì)和探索任務(wù)食品系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供重要信息。

（2）航天食品研發(fā)

當(dāng)前“國(guó)際空間站”的食品系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上還是預(yù)包裝食品系統(tǒng)，航天員的營(yíng)養(yǎng)需求供給全部由地面生產(chǎn)加工而成的預(yù)包裝食譜食品外加維生素、礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑承載。為了進(jìn)一步提高航天食品的可口性，保證乘員的營(yíng)養(yǎng)健康和福利，NASA將益生劑、保健食品、食用香料和營(yíng)養(yǎng)素微膠囊化，新的食譜和烹飪配方研發(fā)作為航天食品研發(fā)的重要方向，NASA通過(guò)商業(yè)合作伙伴等方式征集相關(guān)企業(yè)和團(tuán)隊(duì)開展航天食品研發(fā)，然后進(jìn)行評(píng)估并將滿足需求的產(chǎn)品納入航天食品名錄。

1）由阿爾拉食品安巴公司（Arla Foods amba）研發(fā)保質(zhì)期不低于1年的乳制品。當(dāng)這些乳制品與熱水混合時(shí)，味道必須要好，因?yàn)椤皣?guó)際空間站”只有熱水。乳制品可以提供航天員膳食中必需的營(yíng)養(yǎng)素鈣和維生素D，由于在微重力下，航天員每月的骨質(zhì)量丟失在1.4%～2%，而缺乏陽(yáng)光暴露又導(dǎo)致維生素D缺乏。阿爾拉食品安巴公司已向約翰遜航天中心提交了3種乳制品：乳飲料、可勺取益生劑和奶酪。

2）將大豆加入航天員膳食是NASA需要解決的航天食品挑戰(zhàn)之一。而NASA的營(yíng)養(yǎng)學(xué)家們希望在航天員膳食中加入更多的大豆，因?yàn)榇蠖怪泻性S多有益健康的因子。3F公司（Triple F Inc.）于2002年開始為NASA進(jìn)行凍干大豆食品的研發(fā)，第一款產(chǎn)品是凍干無(wú)肉無(wú)豆辣椒，由于辣椒中加入類似肉的成分，這款產(chǎn)品吃起來(lái)就像辣椒拌肉，還可以加熱水快速?gòu)?fù)水，而大多數(shù)凍干航天食品則需要數(shù)分鐘（5～20min）才能完全復(fù)水。約翰遜航天中心已經(jīng)批準(zhǔn)將這款產(chǎn)品列入航天食品名錄，航天員品嘗認(rèn)可后就可納入他們的食譜。

國(guó)外航天員在“國(guó)際空間站”品嘗剛剛收獲的生菜

3）將民族食品開發(fā)為航天食品。以分子烹飪聞名的英國(guó)廚師赫斯頓 布盧門撒爾（Heston Blumenthal）與英國(guó)航天局（UKSA）和NASA合作，為“國(guó)際空間站”第47長(zhǎng)期考察組乘員英國(guó)航天員蒂姆 皮克（Tim Peake）制作出了7款懷舊的英國(guó)菜，其中的挑戰(zhàn)是要使這些食物適合皮克在6個(gè)月的“國(guó)際空間站”駐留期間食用。呈給“國(guó)際空間站”駐留者食譜中的經(jīng)典英國(guó)菜包括咖喱雞、香腸、洋蔥以及熏肉培根三明治，這些都是有家的味道的食品。廚師及其團(tuán)隊(duì)花了數(shù)月來(lái)研制這款培根三明治罐頭，以確保它嘗起來(lái)確實(shí)像培根。

此外，還有尼普頓技術(shù)與生物資源公司（Neptune technologies & bioressources，Inc.）為“國(guó)際空間站”開發(fā)了富含ω-3脂肪酸的海洋資源保健食品，由邁納斯大宗商品咨詢公司（Meiners Commodity Consultants S.A.）為“國(guó)際空間站”開發(fā)了緩釋的微膠囊化維生素、微量元素補(bǔ)充劑，傳統(tǒng)食品有限公司（Heritage Fare，Ltd.）為“國(guó)際空間站”研發(fā)了可用作食品香味增強(qiáng)劑和延長(zhǎng)保質(zhì)期的脂肪替代品等。

（3）太空蔬菜種植研究

“國(guó)際空間站”蔬菜植物生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)生長(zhǎng)的紅葉生菜

由于預(yù)包裝食品中的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)素（主要維生“國(guó)際空間站”駐留1年期任務(wù)航天員斯科特·凱利（Scott Kelly）用小瓶子將輕榨優(yōu)質(zhì)橄欖油和意大利香醋撒抹在生菜葉上，進(jìn)食后滿意地說(shuō)：“真好吃，味道像芝麻菜！”。在“國(guó)際空間站”進(jìn)行百日菊栽培則是為今后種植開花果實(shí)植物如西紅柿等進(jìn)行前期研究，因?yàn)樵谔辗N植開花植物比多葉蔬菜更具有挑戰(zhàn)性，光照和其他環(huán)境參數(shù)要求更嚴(yán)格，NASA計(jì)劃于2017年在“國(guó)際空間站”種植西紅柿。另?yè)?jù)報(bào)道，蔬菜植物生長(zhǎng)系統(tǒng)將在“國(guó)際空間站”持續(xù)進(jìn)行素）生物效價(jià)會(huì)隨存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，隨著人類太空駐留時(shí)間的延長(zhǎng)，在太空種植營(yíng)養(yǎng)而適口性好的蔬菜變得越來(lái)越重要。很多專家并不建議使用營(yíng)養(yǎng)素膠囊補(bǔ)充劑，其原因主要有：乘員的遵從性和可能引發(fā)的負(fù)面影響、補(bǔ)充劑形式的營(yíng)養(yǎng)素比食物中降解得快、補(bǔ)充劑與純粹食物中的許多天然化合物不能形成協(xié)同效應(yīng)。植物生物再生系統(tǒng)具有隨著時(shí)間的進(jìn)行而補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)素的很大潛力，同時(shí)通過(guò)引入新鮮食物增加了食品系統(tǒng)的品種、質(zhì)地、風(fēng)味和色彩等特點(diǎn)，從而起到支持乘員心理健康的作用。

關(guān)于在軌栽培植物的研究已有近30年的歷史，在俄羅斯和平號(hào)（Mir）空間站、美國(guó)航天飛機(jī)飛行中和“國(guó)際空間站”上都曾進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)，最為成功的則是由肯尼迪航天中心和軌道科學(xué)公司（OSC，現(xiàn)更名為軌道-ATK公司）合作研發(fā)的蔬菜植物生長(zhǎng)系統(tǒng)（Veggie Plant Growth System，簡(jiǎn)稱Veggie系統(tǒng)），該系統(tǒng)于2014年4月20日送達(dá)“國(guó)際空間站”，迄今該系統(tǒng)已成功種植收獲了紅葉生菜Outredgeous和百日菊。經(jīng)地面科研人員對(duì)“國(guó)際空間站”生長(zhǎng)的紅葉生菜進(jìn)行檢測(cè)后發(fā)布聲明：這些生菜完全可以安全放心地食用。長(zhǎng)期吃預(yù)包裝航天食品的乘員們?cè)谄穱L過(guò)生菜后給予了很高的評(píng)價(jià)，幾年實(shí)驗(yàn)，屆時(shí)將會(huì)有更多種類的蔬菜生產(chǎn)出來(lái)供航天員食用。

這些研究也將為深空探索任務(wù)，如為月球基地、火星基地提供重要支持。

2　月球、火星任務(wù)的航天營(yíng)養(yǎng)與食品

未來(lái)載人登月、載人登火星任務(wù)中的航天營(yíng)養(yǎng)與食品保障，將面向月球、火星前哨基地—長(zhǎng)期居留地。2005年，美國(guó)曾計(jì)劃重返月球，這次行動(dòng)的重點(diǎn)是要建立一個(gè)月球前哨基地，在那里繼續(xù)開展研究，并加強(qiáng)將人類送往火星和健康返回的能力。從食品供給研究的角度看，月球基地是火星基地的重要技術(shù)儲(chǔ)備和跳板，而且NASA近年來(lái)的研究目標(biāo)也直接指向了火星基地，因此本節(jié)重點(diǎn)介紹火星基地航天營(yíng)養(yǎng)與食品的研究。

對(duì)于一個(gè)典型的火星任務(wù)，人類需要經(jīng)歷6～8個(gè)月才能進(jìn)入深空，在到達(dá)火星后，乘員能夠在0.38g的火星引力場(chǎng)內(nèi)停留的時(shí)間是1～2個(gè)月或1.5年，這期間沒(méi)有其他可能的時(shí)間段。只有停留上述兩者中的任意1個(gè)周期后，乘員才能經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的旅程返回地球。同樣是因?yàn)檐壍绖?dòng)力學(xué)原因，使得每2年才能獲得1次乘員和貨物的發(fā)射窗口，從而不能實(shí)施任務(wù)規(guī)劃以外的返回或補(bǔ)給。基于這種任務(wù)特點(diǎn)，火星任務(wù)航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究的重點(diǎn)應(yīng)該是長(zhǎng)期深空探測(cè)任務(wù)中乘員的營(yíng)養(yǎng)需求特點(diǎn)及營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)、5年以上長(zhǎng)保質(zhì)期食品研究、火星居留地作物種植及加工等。

國(guó)外火星基地的食物生產(chǎn)模型

長(zhǎng)期飛行乘員營(yíng)養(yǎng)需求及營(yíng)養(yǎng)評(píng)價(jià)研究

2015年3月-2016年3月，美國(guó)航天員斯科特·凱利和俄羅斯航天員米哈伊爾·科爾年柯在“國(guó)際空間站”完成了1年期駐留任務(wù)，NASA方面同時(shí)實(shí)施了關(guān)于斯科特·凱利和他的同卵雙胞胎兄弟馬克·凱利的天地對(duì)比試驗(yàn)。1年期駐留任務(wù)所實(shí)施的科學(xué)研究主要針對(duì)30個(gè)月載人登火星任務(wù)（6個(gè)月去火星，火星表面駐留18個(gè)月，從火星返回6個(gè)月），通過(guò)評(píng)估長(zhǎng)期航天飛行對(duì)人的影響，并識(shí)別航天員在小行星、火星或更遠(yuǎn)長(zhǎng)期駐留任務(wù)中所面臨的醫(yī)學(xué)、心理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn)，為未來(lái)深空載人任務(wù)做準(zhǔn)備，其中《NASA生化檢測(cè)項(xiàng)目》（生化檢測(cè)清單）的一部分內(nèi)容就是與長(zhǎng)期飛行營(yíng)養(yǎng)代謝有關(guān)。關(guān)于前哨基地乘員營(yíng)養(yǎng)需求及評(píng)價(jià)的研究還未見(jiàn)更多報(bào)道。

長(zhǎng)保質(zhì)期食品研究

3～5年長(zhǎng)保質(zhì)期預(yù)包裝食品主要是供乘員在地球-火星往返途中食用，食品系統(tǒng)基本與當(dāng)前“國(guó)際空間站”類似，而目前“國(guó)際空間站”食品的保質(zhì)期要求是1年。如何保證食品營(yíng)養(yǎng)素生物可利用性、色澤、風(fēng)味不因保存時(shí)間延長(zhǎng)而下降，是目前研究的重點(diǎn)之一。

食品保質(zhì)期主要取決于微生物生長(zhǎng)情況、食品的風(fēng)味變化，即口感、所含營(yíng)養(yǎng)素的生物可利用價(jià)值的變化，而當(dāng)前所采用的保證食品保質(zhì)期的加工處理技術(shù)主要是熱穩(wěn)定處理、輻照、凍干等技術(shù)，其中熱穩(wěn)定處理是最有效的技術(shù)，但它對(duì)食品中的維生素效價(jià)和蛋白質(zhì)品質(zhì)有不利影響。而目前“國(guó)際空間站”使用的65種熱穩(wěn)定類食品經(jīng)過(guò)5年儲(chǔ)藏后，只有7種食品具有可接受性，因此研發(fā)長(zhǎng)保質(zhì)期熱穩(wěn)定食品是一個(gè)重點(diǎn)。

由于已經(jīng)證實(shí)隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，食品中維生素會(huì)發(fā)生降解而導(dǎo)致生物可利用性下降，已經(jīng)識(shí)別出了5種維生素應(yīng)該在長(zhǎng)保質(zhì)期食品中進(jìn)行強(qiáng)化，包括維生素K、維生素B1、葉酸、維生素B5和維生素E，這5種化合物在航天食品系統(tǒng)中降解趨勢(shì)明顯，可能在長(zhǎng)期飛行中不能滿足乘員需要。對(duì)強(qiáng)化在幾款凍干食品和熱穩(wěn)定食品中的這些維生素穩(wěn)定性進(jìn)行了2年期的研究，旨在找到適合強(qiáng)化的食品類型、強(qiáng)化食品的適宜保存溫度等。保存1年后的檢測(cè)結(jié)論是：維生素強(qiáng)化可以降低食品存儲(chǔ)過(guò)程中色澤的變差，但高溫存儲(chǔ)會(huì)抵消這種作用；維生素強(qiáng)化作用對(duì)食品的感官特性沒(méi)有不良影響，溫度較低（4℃和21℃）比溫度較高（35℃）的存儲(chǔ)條件能夠維持較高的可接受度；將占每日膳食推薦量25%的維生素E、維生素K、葉酸和維生素B5，通過(guò)維生素強(qiáng)化食品來(lái)提供是可行的選擇，但熱穩(wěn)定處理技術(shù)對(duì)維生素B1的穩(wěn)定性則是不利的；高溫存儲(chǔ)似乎對(duì)所有測(cè)試指標(biāo)都有不良影響。因此，在長(zhǎng)期任務(wù)中使用冰箱存儲(chǔ)食物可能是有益的。關(guān)于該研究的后續(xù)結(jié)果還未見(jiàn)報(bào)道。

考慮到火星任務(wù)等長(zhǎng)期航天飛行可能會(huì)對(duì)航天員生理造成不良影響，如骨丟失等，功能食品如富含番茄紅素、類黃酮、ω-3的產(chǎn)品以及水果、蔬菜，可以減輕航天飛行對(duì)包括骨健康在內(nèi)的生理因素的負(fù)面影響。由于生物活性物質(zhì)就像其他化學(xué)物質(zhì)一樣也會(huì)降解和失效，但從未對(duì)航天飛行中其固有濃度和穩(wěn)定性進(jìn)行過(guò)測(cè)定，也沒(méi)有得到航天探索（5年）任務(wù)中商業(yè)產(chǎn)品存儲(chǔ)期的足夠信息。為此，對(duì)3種儲(chǔ)藏溫度條件（4℃、21℃、35℃）下存儲(chǔ)2年的12款航天食品中的葉黃素、番茄紅素、β-胡蘿卜素、ω-3脂肪酸、多酚、花青素以及甾醇的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。此外，對(duì)較大樣本量的食品在21℃存儲(chǔ)的營(yíng)養(yǎng)素及品質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其中包括12種新研發(fā)的食品、10種預(yù)包裝滿足航天飛行要求的市售食品、5種當(dāng)前“國(guó)際空間站”的食譜食品，這些食品預(yù)期是ω-3脂肪酸、番茄紅素、類黃酮的良好來(lái)源。經(jīng)過(guò)1年儲(chǔ)藏后的檢測(cè)結(jié)果顯示，食品中ω-3脂肪酸具有良好的穩(wěn)定性，與儲(chǔ)藏溫度無(wú)關(guān)；多酚類物質(zhì)也顯示出良好的穩(wěn)定性；番茄紅素在油性基質(zhì)產(chǎn)品中比在水性基質(zhì)產(chǎn)品中具有更好的穩(wěn)定性，因?yàn)橛椭梢员Ｗo(hù)番茄紅素分子提供脂肪酸。另外，番茄紅素在凍干產(chǎn)品中的穩(wěn)定性比在水分含量高的產(chǎn)品中更好。在所測(cè)試的食品中，大多數(shù)營(yíng)養(yǎng)素在經(jīng)過(guò)1年的儲(chǔ)藏后，其穩(wěn)定性仍然很好，但是，為了保證所有營(yíng)養(yǎng)素都能夠穩(wěn)定，在長(zhǎng)期航天飛行中還是必須要考慮儲(chǔ)藏溫度。關(guān)于儲(chǔ)藏2年后食品中營(yíng)養(yǎng)素的保留信息仍然需要了解更多，以便于確定滿足火星任務(wù)食品保質(zhì)期超過(guò)5年所需的營(yíng)養(yǎng)學(xué)空白，并將針對(duì)性強(qiáng)的功能食品整合進(jìn)火星任務(wù)航天食品系統(tǒng)中。

從已有的文獻(xiàn)看，NASA及相關(guān)協(xié)作者正在從多個(gè)方面進(jìn)行長(zhǎng)保質(zhì)期預(yù)包裝食品的研究，但目前的研究主要是對(duì)各類食品的可接受性評(píng)價(jià)、維生素等易降解營(yíng)養(yǎng)素的變化情況，以及適宜儲(chǔ)藏溫度等基本情況的了解?；诨鹦侨蝿?wù)長(zhǎng)保質(zhì)期的需求，相關(guān)人員開展了綜合產(chǎn)品、包裝、加工和環(huán)境措施優(yōu)化食品系統(tǒng)的研究，采用配方調(diào)整、新包裝和加工技術(shù)，以及改進(jìn)儲(chǔ)存條件來(lái)優(yōu)化食品保質(zhì)期。對(duì)兩種新的食品加工技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)：微波輔助熱力殺菌（MATS）和壓力輔助熱力殺菌（PATS）與傳統(tǒng)的殺菌釜技術(shù)在保留食品色澤、食品物性的前提下對(duì)濕包食品穩(wěn)定性的影響，從而了解在較低處理溫度下是否能生產(chǎn)出微量營(yíng)養(yǎng)素品質(zhì)較高、保質(zhì)期較長(zhǎng)的食品。結(jié)果顯示，微波輔助熱力殺菌工藝生產(chǎn)出的食品，其最初的色澤和物性很好，但這種優(yōu)勢(shì)并不能維持太久。而非金屬包裝膜很可能不能提供足夠的阻氧率，而微波輔助熱力殺菌與傳統(tǒng)的殺菌釜技術(shù)在維生素穩(wěn)定性方面沒(méi)有差異。類似地，采用壓力輔助熱力殺菌的水果類產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)3年存儲(chǔ)后并沒(méi)有比傳統(tǒng)的殺菌釜技術(shù)在維生素穩(wěn)定性方面有所改善。該研究還從食品儲(chǔ)藏溫度和包裝對(duì)食品品質(zhì)的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，降低儲(chǔ)藏溫度并不是抑制奶油餅干逐步酸敗的決定性因素，冷凍儲(chǔ)藏對(duì)果蔬物性品質(zhì)有損害，而冷藏保存則有助于保持植物性食品的色澤和口感；在包裝方面，與阻隔率最高的非金屬膜相比，金屬外包裝膜能顯著降低奶油餅干的酸敗過(guò)程，而加入除氧劑保藏，則會(huì)導(dǎo)致奶油餅干的濕度隨保存時(shí)間的增加而顯著增加。采用冷藏與壓力輔助熱力殺菌結(jié)合的方法，有望使大多數(shù)水果保存5年后的感官品質(zhì)具有可接受性。低溫稍微對(duì)維生素降解有一些緩解，但添加維生素C是一種更為穩(wěn)妥的強(qiáng)化方法。另外，關(guān)于包裝的問(wèn)題也應(yīng)該進(jìn)一步研究，以確保在食品保質(zhì)期內(nèi)維生素供給的充足。同樣地，為了使?jié)癜b主菜及湯的保質(zhì)期提高到5年，應(yīng)該進(jìn)行以下幾方面的研究：顯著改進(jìn)微波輔助熱力殺菌產(chǎn)品的包裝膜、優(yōu)化配方以調(diào)整導(dǎo)電性、維生素強(qiáng)化、低溫儲(chǔ)藏等。研究也顯示，烘焙食品及其他環(huán)境敏感性航天食品，需要阻氧、阻濕性好的包裝，但脫氧劑和低溫并不能改善烘焙食品的保質(zhì)期。

前哨基地艙內(nèi)種植作物及轉(zhuǎn)化為食物的研究

在前哨基地，乘員的大部分食物將是來(lái)自艙內(nèi)種植的作物，NASA公布的當(dāng)前允許在太空種植的作物名錄中包括：甘藍(lán)、胡蘿卜、食用甜菜、干豆、生菜、洋蔥、花生、土豆、蘿卜、稻谷、大豆、菠菜、紅薯、番茄和小麥等，如何將這些作物在低重力環(huán)境下種植成功并加工成可食用食物，如何保證由這些作物搭配的膳食滿足乘員營(yíng)養(yǎng)需求，是這個(gè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

1995-1997年，NASA約翰遜航天中心實(shí)施了先進(jìn)的生命保障試驗(yàn)項(xiàng)目，第三期試驗(yàn)內(nèi)容之一是模擬火星食譜。他們進(jìn)行了10天周期食譜試驗(yàn)，即90%的食譜能量來(lái)自NASA作物清單中的食材（小麥、花生、大豆、番茄、大米、馬鈴薯、紅薯、生菜、番茄、綠洋蔥、綠葉蔬菜、香草），其余的10%由水果、飲料、調(diào)味品等補(bǔ)給類食品來(lái)滿足。艙內(nèi)駐留試驗(yàn)者將封閉艙內(nèi)種植的小麥?zhǔn)斋@后磨粉制作面包，美國(guó)量子器件公司（Quantum Devices，Inc.）提供的食用營(yíng)養(yǎng)再生性開發(fā)生長(zhǎng)裝置（簡(jiǎn)稱菜園）栽培了沃爾德曼綠生菜（Waldman’s green lettuce）。這次試驗(yàn)為評(píng)估未來(lái)航天食品系統(tǒng)、評(píng)價(jià)將艙內(nèi)種植的作物轉(zhuǎn)換成可食用的食物，提供了一次獨(dú)特的機(jī)會(huì)。

除了摘吃多葉類植物的試驗(yàn)種植外，太空種植艙內(nèi)的模擬研究也正在逐步深入，比如2016年3月，荷蘭瓦格寧根大學(xué)研究中心（Wageningen UR）的火星模擬農(nóng)場(chǎng)就首次收獲了番茄和豌豆，這次試驗(yàn)是該火星農(nóng)場(chǎng)的第二輪種植實(shí)驗(yàn)，收獲的作物有西紅柿、豌豆、黑麥、芝麻菜、蘿卜和獨(dú)行菜等。該項(xiàng)目使用托盤代替了“小枕頭”作為栽培床，并在火星和月球模擬土壤中增加了有機(jī)材料（新剪的草），從而不僅解決了第一次實(shí)驗(yàn)中澆水遇到的問(wèn)題，還增加了土壤中的肥料。另外，研究人員對(duì)火星模擬土壤和月球模擬土壤進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果顯示，在火星模擬土壤上種植農(nóng)作物，通過(guò)適當(dāng)?shù)販?zhǔn)備和澆灌可以獲得與地球受控土壤相同的產(chǎn)量，而月球模擬土壤的產(chǎn)量比較低。此外，因?yàn)轭A(yù)計(jì)在火星和月球上第一次種植農(nóng)作物應(yīng)該是在地下室進(jìn)行，這是為了防護(hù)植物免受惡劣環(huán)境—包括宇宙輻射的影響。栽培實(shí)驗(yàn)在玻璃容器內(nèi)完成，環(huán)境嚴(yán)格受控，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)保持模擬地球栽培環(huán)境的恒溫、恒濕和不變的光照條件。根據(jù)研究人員介紹，前期完成的兩輪實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注農(nóng)作物的生存能力，隨后的實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)放在適食性和食品安全方面，原因是火星土壤含有很多重金屬成分，包括鉛、砷和汞，研究人員需要研究收獲農(nóng)作物的毒素水平。

另外，NASA近日宣布正在與利馬國(guó)際馬鈴薯中心（CIP）合作，從該中心登記在冊(cè)的4500種土豆中精心挑選出100種開展土豆塊莖種植試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)選在秘魯南部阿塔卡馬沙漠的拉霍亞荒原，這里是全球最干旱地區(qū)之一，與火星極端環(huán)境極為相似。試驗(yàn)已于2016年3月開始，正在進(jìn)行試驗(yàn)的有65種土豆，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格評(píng)估的品種還要接受強(qiáng)紫外線照射實(shí)試，最終確定能在火星上進(jìn)行培育種植的土豆品種。

迄今，關(guān)于前哨基地植物種植及食物轉(zhuǎn)化研究主要是地基模擬研究。而2015年在“國(guó)際空間站”蔬菜植物生長(zhǎng)系統(tǒng)內(nèi)種植百日菊的實(shí)驗(yàn)，則是在“國(guó)際空間站”微重力條件下的實(shí)驗(yàn)，百日菊作物所呈現(xiàn)給研究人員的信息，對(duì)于生長(zhǎng)期較長(zhǎng)的許多果蔬作物，如番茄、青椒、草莓，以及豆類、花生等主要農(nóng)作物將有重要價(jià)值，它對(duì)于科學(xué)家進(jìn)一步了解深空任務(wù)和NASA火星之旅中的作物生長(zhǎng)情況具有重要意義。

在“國(guó)際空間站”里盛開的百日菊

3　結(jié)語(yǔ)

從NASA在“國(guó)際空間站”和前哨基地任務(wù)中所開展的航天營(yíng)養(yǎng)與食品研究中可以看出，在載人航天任務(wù)的牽引下，人們對(duì)營(yíng)養(yǎng)素在長(zhǎng)期航天飛行中對(duì)乘員健康作用和影響的認(rèn)識(shí)在不斷豐富和深入，在“國(guó)際空間站”這個(gè)在軌實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，科學(xué)家正在獲得更多的相關(guān)生理、生化標(biāo)記和信息，從而不斷完善乘員營(yíng)養(yǎng)狀況的在軌監(jiān)測(cè)，并嘗試通過(guò)營(yíng)養(yǎng)手段對(duì)飛行中出現(xiàn)的有關(guān)健康風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行干預(yù)和緩解。

為了保證任務(wù)的順利完成和乘員工作績(jī)效，為乘員提供營(yíng)養(yǎng)、健康、可口、種類多樣的飛行膳食，是航天食品系統(tǒng)的永恒主題。因此，研發(fā)更接近地面家的感覺(jué)的預(yù)包裝食品，一直是營(yíng)養(yǎng)師和食品專家的努力方向。同時(shí)，隨著為將來(lái)前哨基地作物種植準(zhǔn)備研究的進(jìn)展，研發(fā)將這些作物加工成可口食物的加工設(shè)備和工藝也在進(jìn)行中，如NASA的商業(yè)合作伙伴布雷迪國(guó)際制造（Bready International，AB）正在研發(fā)適合在前哨基地使用的烤面包爐，愛(ài)荷華大豆促進(jìn)董事會(huì)（Iowa Soybean Promotion Board）正在進(jìn)行大豆食品新產(chǎn)品研發(fā)和大豆太空加工新工藝研究，3F公司還研發(fā)了一種精煉大豆和花生油的方法—免溶劑脫膠法，可以用在前哨基地制備食用油，供乘員烹飪和油炸太空作物如土豆等，以及制作面包、蛋糕。所有這些研究與努力，正在成就人類載人航天探索的漫漫征程，也為我們的地面生活帶來(lái)回饋和福祉。

Research on the Progress of Foreign Aerospace Nutrition and Food