食品航天论文：航天营养与食品工程回顾与展望

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本文作者：陈斌董海胜工作单位：航天医学基础与应用国家重点实验室

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与包装工程二部分内容．航天食品的服务对象是航天员，航天食品必须是安全、营养、方便、高效能、可接受性好的食谱食品，它集营养供能、心理调节和机能调节三大功能于一身．航天特因环境，特别是失重环境对航天食品的使用性能具有特殊的要求，受到多种条件的限制．工程条件限制受运载火箭推力的限制，载人航天器的重量和体积是有限的，这样分配给航天食品系统的重量和体积也必须精打细算，都是以“g”和“cm3”计，表1列出了美国不同型号和我国航天食品提供的能量、重量、体积及重量体积比．从表1中可以看出航天食品所受工程条件限制的严格程度．航天食品作为装船产品还要经受航天发射、运行、返回过程中各种特殊环境因素的作用如振动、冲击、泄复压、加速度等，因此航天食品的形态、包装形式、强度等都有严格的要求［1］．安全要求体现在航天食品的卫生安全和操作安全两个方面，卫生安全包括物理因素如骨、刺等不可食用部分，化学因素包括农药残留、兽药残留、有毒有害物质等，生物因素如致病菌、生物毒素及过敏原等．这些可通过制定标准、过程控制和严格的检验评估来控制，从而促进了HACCP的产生和完善．操作安全是指航天员在食物准备和就餐过程中防止发生物理性伤害，与系统设计、产品加工和航天员操作的熟练程度直接相关［2］．如凡是航天员徒手操作能接触到的硬件部位都要进行光洁处理，以防锐利部位引起创伤;又如刀叉勺之类的餐具若不慎脱离束缚或抛出，在失重状态下很可能伤害航天员．营养要求航天食品的首要功能是提供营养素，营养素指能为人体活动提供热能、维持新陈代谢及调节生理功能的营养物质，包括蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素、水和膳食纤维七大类数十种物质．根据航天飞行任务的不同有所区别，如出舱活动期间就需要配置低产气的航天食品．可接受性要求食品作为营养素的载体，其感官接受性直接关系到营养素的摄入量，国内外的历次航天飞行实验证明，除航天食品本身的感官品质外，食品的种类、食谱与饮食制度、航天员个人的饮食习惯及嗜好、航天飞行过程中味觉与嗅觉的变化、硬件支持设施与就餐环境等都会对航天食品的感官接受性产生直接影响［2］．保健功能要求从空间特因环境看，微重力、噪声、振动、辐射、昼夜节律改变、狭小生活空间、有害气体及心理应激等，这些都会直接或间接对人机体多个生理系统如骨骼肌肉系统、心血管系统、神经内分泌及消化系统等产生消极影响，长期航天飞行会导致航天员机体发生骨质疏松、肌肉萎缩、贫血症、胰岛素抵抗、食欲减退、免疫力下降、肾结石及便秘等一系列风险．针对机体生理功能发生的变化，需要开展相应的对抗措施研究，以减缓或避免上述失重生理效应的不良影响［2］．从饮食的角度，开发研制系列抗疲劳、抗辐射、抗氧化、延缓骨钙丢失和肌肉萎缩、免疫调节等具有保健功能的航天食品，不但能为航天员提供必要的营养支持，而且具有特定的生理活性，无毒副作用，可长期服用，能作为航天飞行尤其是中长期飞行的有效防护措施，从一定程度上缓解航天特因环境对航天员的不利影响．使用性能要求航天食品使用性能要求主要包括在失重条件下使用的可行性、可靠性及方便性．要经过地面试验验证及模拟环境实验测试，并符合人机工效学要求．航天食品的类型航天食品按用途可分为食谱食品、储备食品、救生食品、压力应急食品及舱外航天食品，以适用于航天飞行的不同环境工况［2］．食谱食品是指在轨道正常飞行期间供航天员食用的食品．根据航天员工作、生活和锻炼情况合理地提供不同种类和数量的食品，它不仅要满足航天员对食品的生理需求，还要尽可能满足航天员的心理和感官要求，尽量符合航天员的饮食习惯和爱好．食谱食品是航天食品的核心，占有的重量和体积最大，使用期最长，类型和品种最多．储备食品是考虑飞行计划中可能会遇到一些意外情况需延长飞行时供航天员食用的食品，如着陆地区气候条件恶劣不宜按时返回降落等．储备食品的使用条件与食谱食品相同，又称非压力应急食品．因此，储备食品的类型与食谱食品基本一致．压力应急食品是指在乘员舱发生压力应急时，航天员着航天服进行应急飞行期间食用的食品．根据压力应急飞行时间的长短，压力应急食品又分为航天服内进食和航天服外进食的应急食品．与食谱食品和储备食品明显不同，由于是在压力应急情况下食用，与航天服间存在界面接口关系，必须与航天服相匹配．舱外航天食品是指航天员着舱外航天服进行舱外活动期间食用的食品．航天服内供食装置由两部分组成:一是流质供食器，二是固体供食器．救生食品是航天员返回着陆(或溅水)后等待救援期间食用的食品．由于救生食品是在返回后食用，所以不必符合失重时的进食要求，但必须考虑在地面可能出现的各种气候条件下的进食要求，如在海上和沙漠地区．救生食品是从地面携带，返回后在地面食用，要求具有重量轻、体积小和热能密度高的特点．

国外航天食品研究发展历程

概述1961年4月12日，前苏联航天员加加林乘坐东方1号飞船首次航天飞行成功，人类从此进入载人航天时代［20］．美国已完成和正在进行的载人航天计划有水星号、双子星座号、阿波罗号、天空实验室和航天飞机，1984年又开始了自由号国际空间站计划，后因俄罗斯的加入，改名为阿尔法国际空间站．前苏联/俄罗斯已完成和正在进行的载人航天计划有东方号、上升号、礼炮号、暴风雪号、和平号空间站，现参与国际空间站计划．载人航天任务从简单的体验人在太空失重条件下生存的可能性，到完成各种科学研究、观测、组装、加工、维修等繁重科学实验活动;航天飞行时间从十几分钟的亚轨道飞行到438天长期在太空生活和工作;航天器从简单的单人飞船到多人长期航天飞行的国际空间站，载人航天事业取得了巨大成就［1］．在载人航天飞行之前，人们对这些特殊要求只能推测和想象．当时有些专家曾担心，在失重条件下吞咽可能会很困难，食物可能会卡在咽喉处．前苏联的加加林和美国第一位航天员格林的航天飞行任务之一，就是在太空失重条件下进行进食试验．随着航天营养与食品工程研究的不断深入，航天食品的类型和品种逐渐增加，食品的支持硬件也日益完善，当二者的复杂程度达到一定水平时，便形成了一个相对独立的完整体系———航天食品系统．航天食品系统通常包括食品、包装以及相应的储存、制备、伺服、清洁、废弃物收集与处理、漂浮物清除等一整套设备、装置和用品［21］．航天食品系统的主要设计指标是安全、营养、方便、可靠，同时还要求重量轻、体积小、操作简便、包装要便于在失重条件下使用及较好的可接受性［21］．要达到这些目标，主要考虑三方面的因素:生物因素、操作因素和工程因素(见表2)，这些限制因素将3.2早期的航天飞行计划以美国为例，航天食品系统是为满足水星号和双子星座号飞船工程设计的严格要求而发展起来的［23］．在水星号和双子星座号计划的短期航天中，食品的品种比较单一，由于没有足够的卫浴设施，加之食物贮藏能力有限，为减少排泄物，促进了低纤维食品的开发;后来，随着飞行时间的延长，航天食品得以进一步发展，但此时的设计原则多是考虑到水的供给方法［21］．在阿波罗飞船上，水作为燃料电池的副产物可以充足供给，由此脱水食品得到广泛应用．但当水是从地面运往太空再进行复水时，脱水食品的优势则大大降低．“阿波罗”任务大大地推动了航天食品系统的发展，第一次在进食中使用了餐具，第一次使用了蒸煮袋，第一次食用辐照食品，这在美国航天食品系统的发展史上有着特别重要的意义［22］．天空实验室计划［24］天空实验室食品系统是迄今为止最先进的食品系统，它包括冷冻、冷藏冰箱，食品的多样性提高了感官接受性和营养价值．天空实验室是美国第一个试验型空间站，主要任务之一是研究长期失重对人体的影响，其中也进行了最广泛的代谢研究，包括蛋白质，矿物质和水的代谢平衡研究．为了开展代谢平衡研究，天空实验室采用了6天周期的标准食谱．食谱食品包括18种热稳定食品，8种冷冻食品，3种中水分食品，11种干燥、辐照和自然型食品，25种复水食品以及10种复水饮料，并用这些食品搭配成代谢膳食．飞行前在地面密封舱内进行了3人56天的代谢实验，对代谢膳食和实验中37种营养素进行了分析．并从飞行前21天开始，到飞行后第18天为止，航天员一直食用航天食品，对飞行前、中、后的代谢样品进行了6种特殊营养素的分析，提出了航天营养的基本要求．天空实验室的食品系统比阿波罗、双子星座和水星号计划的食品系统有了很大改进．天空实验室的内部容积比前几个型号飞船都大，可居住空间为361m3(阿波罗为4.5m3，双子星座为2.26m3，水星号为1.56m3)．天空实验室上有相当大的贮藏空间，并配备了冷冻、冷藏箱和食品加热器．天空实验室食品系统的最大特点是包装全面改观，支持硬件配套齐全．如研制了折叠式聚乙烯饮水瓶，整盖拉开式铝罐包装，配备了3种食品储箱:一是食品普通储箱，储存温度为5～30℃，用于储存热稳定食品、即食食品、复水食品和饮料;二是食品冷藏箱，储存温度为7℃，用于存放自然型食品中容易变质的食品和制备冷饮;三是食品冷冻箱，储存温度为－23℃，用于存放地面烹调好的冷冻食品和冰淇淋等．食品制备设备包括食品加热器和水分配器;食品伺服设备包括餐桌、餐盘和餐具．餐盘用于固定一餐的各种食品．后改为食品加热伺服箱，其表面有4大4小共8个凹槽，能卡住大小两种铝罐和复水饮料瓶．加热器能将食品加热到66℃，且有计时器可控制加热时间．勺、刀、叉3种餐具和安全剪刀都经磁化，他们可被吸附在箱体表面，以防止飞走．这种设备和这种进食方法颇受航天员欢迎．航天飞机计划［25］航天飞机是一种短期飞行的天地往返运载工具，可重复使用，代替一次性使用的运载工具飞船．具有将7名航天员和30t有效载荷运送到地球轨道的能力，由于航天飞机提供的质量和体积不大，可居住空间为74m3，而天空实验室可居住空间为361m3，所以工程技术方面对食品系统的质量和体积限制要比天空实验室严格得多，食品包装和支持硬件也不同于天空实验室，如电能和重量的限制排除了冷冻冷藏箱和微波炉的使用，用燃料电池水复水的脱水食品约占一半，其他由热稳定食品、辐照食品、中水分食品及液体或半固体的调味品等组成．食品的总数要远远大于以前的任务阶段，达150多种，大都不需要冷冻和冷藏的即食食品，或经简单加水或加热就可以食用的食品．在航天飞机上还为出舱活动研制了舱外航天食品和饮水，可提供2093kJ的14北京工商大学学报(自然科学版)2012年11月能量和1000mL的饮水．自STS－41D(航天飞机飞行任务编号)开始，航天员可以用标准食谱，也可从所列的150多种食品清单中选择个人喜好的食品，来替换标准食谱中的食品，或自己设计食谱，但必须经营养专家的评价以满足营养平衡的需要．在每次飞行中，还为每名航天员提供了2天的储备食品，每天总热量为8790.6kJ，以防着陆点恶劣天气或不可预测的原因而需延长飞行时食用．由于在飞行中航天员有机会从储备食品中自选点心或其他爱吃的食品，所以常常改变食谱．因此，在飞行中实际的膳食摄入情况与飞行前设计的营养平衡的食谱可能不一致，航天员很少抱怨食品质量或食品种类，但是，尽管如此航天员的营养摄入还是不足．在食品包装方面，为减少食物系统所产生废物的重量和体积，并考虑对废物进行压缩，对食品的包装进行了改进，大量采用铝箔包装以降低包装所占比例．随着食品包装的改进，进餐方式也发生了全新的变化．航天飞机厨柜是一个多功能食品支持设备．集成了包括食品储柜、调味品储柜、水分配器、强制对流加热箱、餐盘和餐具储柜、清洁卫生用品储柜、废弃物储柜、个人卫生台和食品制备台．该厨柜的所有组件及内装物品均采用了可靠的束缚、固定和连接装置．水分配器可定量提供冷、热水，强制对流加热炉用于食品加热．航天飞机食品系统的最大特点是趋于“地面化”，从食品的选择到伺服方式都与地面接近，食品的种类和品种越来越丰富．由于航天飞机执行任务时间较短，没有配备冷冻冷藏箱，复水食品采用燃料电池水复水．舱压为一个大气压，在一定程度上可适当放宽对食品包装的要求．航天飞机与和平号空间站联合计划［26］航天飞机与和平号空间站联合飞行(Shuttle-Mir)计划，是美国、欧空局、加拿大、巴西、日本和俄罗斯的一个合作项目，使用的是含有美国和俄罗斯食品的食品系统．美、俄航天员在和平号空间站上进行了111天至184天的长期飞行．和平号空间站的食品类型与航天飞机的类似，食品最短保质期为9个月．突出的特点是食品管理采用双语(俄语和英语)数据库，输入两国预先设计的食品条形码，就餐时采用读码器扫描标签并记录食品摄入情况，用以进行航天飞行期间的代谢研究．国际空间站食品系统［27］国际空间站建造期间以航天飞机－和平号空间站型食品为主．居住舱提供居住和食品厨柜，包括放置不同食品的贮藏间，还有冷冻冷藏箱、微波炉．空间站的食品设计是尽可能接近地面食品，因此可接受性大大提高．国际空间站将利用太阳能电池帆板发电，部分水来自空间站的再生水循环使用，但不能满足食品复水的需要．因此在空间站食品的设计时，大多数食品是不需复水的冷冻、冷藏食品和热稳定食品，食品和水的补给多由俄罗斯的进步号货运飞船运送，提供90天正常任务飞行的食谱食品和45天的储备食品，以及舱外活动所需食品．食谱食品有冷冻食品、冷藏食品和常温耐贮存的食品组成，按30天食谱周期设计，90天任务所需的食品放在多功能的后勤舱中，固定在轨道舱后再转移到居住舱．居住舱中的食品橱柜只能储存14天的食品，每隔2周从加压后勤舱取，没有用完的食品要重新放回后勤舱中，以备后用．储备食品要求尽可能小的体积和重量，但至少提供每人每天8732kJ的能量，保质期不少于2年．舱外活动食品与航天飞机相同．航天飞行期间的膳食摄入量研究营养摄入是航天员健康保证的基础，美国从阿波罗、天空实验室和航天飞机飞行期间对膳食摄入情况进行了监控，为了收集飞行中的数据，让航天员在他们的日志中记录食物摄入量，因手工记录既不完全又不方便，后改用读码器扫描食品标签，记录下食品的名称和一系列数据，同时输入个人的ID码及摄入量，自动记录数据和时间．飞行结束后，根据记录来计算营养摄入量［22］．天空实验室任务进行了详细的营养代谢研究，航天员的能量摄入量高于“阿波罗”和航天飞机计划，达到推荐摄入量要求．阿波罗计划中，航天员则由于废物收集困难限制了他们的食物摄入［22］．航天飞机任务中，航天员没有充足的时间去准备和进餐，加上空间运动病或没有饥饿感，食欲有所下降［24］．在天空实验室和航天飞机任务期间，与飞行前相比，航天员摄入的碳水化合物较多而脂肪少．天空实验室计划中的航天员每天消耗的流质食品更多．饮料和食物中水分的摄入充足，每天水的推荐摄入量大约是238～357mL/(MJ•d)或者最少2000mL/d，可有效预防脱水和肾结石的形成，但与飞行前相比，飞行期间摄入的水量仍然偏少［22，28］．在矿物质方面［29］，在天空实验室和航天飞机任务期间，钠的摄入量大约是4～5g/d，比1100～3500mg/d的推荐摄入量高，接近于各自飞行前的水平，分别为5141.7±886.8mg/d和3925±920mg/d，阿波罗计划中，钠摄入量低于其推荐摄入量，这也许是因为他们的食物摄入总量只达到规定能量要求的64%所致．天空实验室飞行期间钾的摄入量为3853.8±566.9mg/d，也超出其推荐摄入量．阿波罗和航天飞机计划中航天员的钾摄入量低于3500mg/d．骨中矿物质损失，尤其是在承重骨中，3个计划中钙的摄入量比1000～1200mg/d推荐摄入量低．在天空实验室计划中，钙的摄入量(894.2±141.5mg/d)最接近规定值，这可能是因为航天员摄入了足够的能量．阿波罗和航天飞机飞行中，航天员磷的摄入量在推荐摄入量内，但在天空实验室中的摄入量则超过推荐摄入量．在天空实验室和航天飞机计划中，磷的摄入量比钙摄入量的1.5倍(每日营养推荐量中磷的摄入量应小于1.5倍钙的摄入量)要高．较高的磷钙比不利于钙的吸收．在天空实验室和航天飞机计划飞行中镁和锌的摄入与飞行前接近，但都是低于其推荐摄入量．低锌会降低味觉和嗅觉的功能，进而会影响整个膳食的摄入．在微重力环境中，血红细胞数量减少且血清铁浓度升高．在航天飞机计划飞行期间，铁的平均摄入量为15.6±4mg/d，比飞行前(18±4.6mg/d)低，但是高于推荐摄入量．高铁摄入有可能导致组织氧化损伤．铁的推荐摄入量是航天飞行中持续关注的问题，尤其是在执行长期任务时．微重力会引起免疫系统细胞信号传导的改变．航天飞行过程中乘组的能量及营养摄入量降低，直接的表现就是体重减轻，同时也观察到免疫功能的改变．比如:分裂素的增殖反应降低与VB6、VB12、生物素、VE、铜或硒缺乏有关．迟发型超敏反应的降低与VB6、VB12、VC或铁缺乏相关．蛋白质及个别氨基酸缺乏对多种免疫功能有深远的影响．为航天员提供特殊营养是对抗航天飞行期间免疫功能失调最有效的措施［30－31］．航天飞行中VD、抗氧化剂(VA、VC、VE和β胡萝卜素)及膳食纤维的摄入量没有全面研究．关注VD是因为座舱内缺乏紫外线，紫外线是促进皮肤合成VD的关键因子．由于食谱和食品清单中VD偏少，需要额外补充．航天飞行使航天员暴露在比地面更大剂量的射线中，抗氧化剂可以防止因辐射引起的体内自由基损伤，所以研究它们的摄入量对航天员十分重要．以前报道表明，微重力环境条件下航天员出现便秘和航天运动病会影响胃肠道功能，膳食纤维和大量流质食物摄入有助于防止便秘［32］．膳食摄入监控研究表明，在摄入足够能量的情况下，其他营养素都接近推荐摄入量．这可以认为航天飞行中营养素的生物利用率与在地面上基本相同．对于长期航天飞行，提供美味可口的食品，摄入足够食物以满足营养要求非常重要，需要鼓励航天员尽可能广泛食用食谱设计中的食品种类以确保营养平衡［33］．

我国航天营养与食品工程发展趋势

航天营养研究营养是健康的基础，开展航天环境下机体营养代谢规律与特点研究，为制定营养素供给量标准，指导产品研制，针对飞行任务科学合理配置航天食品和饮水提供科学依据;研究航天环境对肠道菌群的影响和规律，为维护肠道菌群平衡或纠正失调探索有效措施;开展保健功能因子筛选、量效构效关系研究，建立相关标准，研究功效评价方法;还要研究传统食疗食养理论在航天中的应用，充分体现个性化营养支持特色等．航天食品工程研究研究体现中国特色饮食文化的食品类型，重点开展传统食品工程化技术研究，包括民族特色食品、地方特色食品和典型节日食品等;体现保健功能，重点关注抗氧化、抗辐射、抗疲劳、免疫调节、延缓肌肉萎缩和骨质丢失等功能因子的分离纯化与产品研制;此外，与航天限制因素息息相关的包装轻量化、装运模式优化及垃圾处理技术等也是必不可少的一环;食品制备装备、进餐环境、包装形式、食物的色香味形与辅助心理调节及高效工作相互关系研究等．航天食品安全研究研究并建立ISO-HACCP一体化质量管理与食品安全控制体系，实施对协作伙伴认可、监督与评价;研究并建立食品原辅材料、成品的系列质量标准;研究航天食品安全风险评估方法及航天环境下食品潜在危害因子的筛选与检测方法;已知食品安全指标限值的再评价;实施食品安全分析与风险评估等．5结束语近地轨道航天飞行、登月、星际远航，人类文明的触角已经伸向更远的宇宙空间，世界先进国家已经着手开展登月及星际航天食品的研究．根据我国载人航天工程“三步走”的发展战略，即第一步将航天员安全送入近地轨道并安全返回地面，进行空间科学和技术试验(神五、神六);第二步突破航天员出舱活动以及空间飞行器交会对接等重大关键技术，建立具有一定应用规模的短期有人照料、长期在轨自主飞行的空间实验室(天宫一号、从神七到神十);第三步建立长期有人照料的空间站，使之成为国家级实验室，开展较大规模的空间科学技术试验和应用研究．我国的空间站工程已正式启动，随着航天飞行时间的延长，作为航天员健康保障基础的航天营养与食品工程将发挥越来越重要的作用，从而将促进航天营养与食品工程学科的发展．中华饮食文化源远流长，独具特色，更适合中国航天员的饮食习惯，在载人航天领域的应用必将展现其独特的优势．人类在太空健康生活对航天营养和航天食品工作者来说任重而道远，因此，如何采用新的技术和方法，从食物和营养的角度最大限度地满足航天员心理和生理的需求，保障航天员的身体健康和高效工作，还需全国航天食品科技工作者协作攻关进行广泛而深入的研究，实现“让航天员象在地面一样饮食”的最高目标．