【连载·3】国外航天营养与食品研究进展

作者：武艳萍 强静（中国航天员科研训练中心）

小编：孙忆鸿（北京空间科技信息研究所）

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未来载人登月、载人登火星任务中的航天营养与食品保障，将面向月球、火星前哨基地——长期居留地。2005年，美国曾计划重返月球，这次行动的重点是要建立一个月球前哨基地，在那里继续开展研究，并加强将人类送往火星和健康返回的能力。从食品供给研究的角度看，月球基地是火星基地的重要技术储备和跳板，而且NASA近年来的研究目标也直接指向了火星基地，因此本节重点介绍火星基地航天营养与食品的研究。

国外火星基地的食物生产模型

对于一个典型的火星任务，人类需要经历6～8个月才能进入深空，在到达火星后，乘员能够在0.38g的火星引力场内停留的时间是1～2个月或1.5年，期间没有其他可能的时间段。只有停留上述两者中的任意1个周期后，乘员才能经过漫长的旅程返回地球。同样是因为轨道动力学原因，使得每2年才能获得1次乘员和货物的发射窗口，从而不能实施任务规划以外的返回或补给。基于这种任务特点，火星任务航天营养与食品研究的重点应该是长期深空探测任务中乘员的营养需求特点及营养评价、5年以上长保质期食品研究、火星居留地作物种植及加工等。

2015年3月－2016年3月，美国航天员斯科特·凯利和俄罗斯航天员米哈伊尔·科尔年柯在“国际空间站”完成了1年期驻留任务，NASA方面同时实施了关于斯科特·凯利和他的同卵双胞胎兄弟马克·凯利的天地对比试验。1年期驻留任务所实施的科学研究主要针对30个月载人登火星任务（6个月去火星，火星表面驻留18个月，从火星返回6个月），通过评估长期航天飞行对人的影响，并识别航天员在小行星、火星或更远长期驻留任务中所面临的医学、心理学和生物医学挑战，为未来深空载人任务做准备，其中《NASA生化检测项目》（生化检测清单）的一部分内容就是与长期飞行营养代谢有关。关于前哨基地乘员营养需求及评价的研究还未见更多报道。

3～5年长保质期预包装食品主要是供乘员在地球-火星往返途中食用，食品系统基本与当前“国际空间站”类似，而目前“国际空间站”食品的保质期要求是1年。如何保证食品营养素生物可利用性、色泽、风味不因保存时间延长而下降，是目前研究的重点之一。

食品保质期主要取决于微生物生长情况、食品的风味变化，即口感、所含营养素的生物可利用价值的变化，而当前所采用的保证食品保质期的加工处理技术主要是热稳定处理、辐照、冻干等技术，其中热稳定处理是最有效的技术，但它对食品中的维生素效价和蛋白质品质有不利影响。而目前“国际空间站”使用的65种热稳定类食品经过5年储藏后，只有7种食品具有可接受性，因此研发长保质期热稳定食品是一个重点。

由于已经证实随着存储时间的延长，食品中维生素会发生降解而导致生物可利用性下降，已经识别出了5种维生素应该在长保质期食品中进行强化，包括维生素K、维生素B₁、叶酸、维生素B₅和维生素E，这5种化合物在航天食品系统中降解趋势明显，可能在长期飞行中不能满足乘员需要。对强化在几款冻干食品和热稳定食品中的这些维生素稳定性进行了2年期的研究，旨在找到适合强化的食品类型、强化食品的适宜保存温度等。保存1年后的检测结论是：维生素强化可以降低食品存储过程中色泽的变差，但高温存储会抵消这种作用；维生素强化作用对食品的感官特性没有不良影响，温度较低（4℃和21℃）比温度较高（35℃）的存储条件能够维持较高的可接受度；将占每日膳食推荐量25%的维生素E、维生素K、叶酸和维生素B₅，通过维生素强化食品来提供是可行的选择，但热稳定处理技术对维生素B₁的稳定性则是不利的；高温存储似乎对所有测试指标都有不良影响。因此，在长期任务中使用冰箱存储食物可能是有益的。关于该研究的后续结果还未见报道。

考虑到火星任务等长期航天飞行可能会对航天员生理造成不良影响，如骨丢失等，功能食品如富含番茄红素、类黄酮、ω－3的产品以及水果、蔬菜，可以减轻航天飞行对包括骨健康在内的生理因素的负面影响。由于生物活性物质就像其他化学物质一样也会降解和失效，但从未对航天飞行中其固有浓度和稳定性进行过测定，也没有得到航天探索（5年）任务中商业产品存储期的足够信息。为此，对3种储藏温度条件（4℃、21℃、35℃）下存储2年的12款航天食品中的叶黄素、番茄红素、β-胡萝卜素、ω－3脂肪酸、多酚、花青素以及甾醇的稳定性进行了研究。此外，对较大样本量的食品在21℃存储的营养素及品质稳定性进行了评价，其中包括12种新研发的食品、10种预包装满足航天飞行要求的市售食品、5种当前“国际空间站”的食谱食品，这些食品预期是ω－3脂肪酸、番茄红素、类黄酮的良好来源。经过1年储藏后的检测结果显示，食品中ω－3脂肪酸具有良好的稳定性，与储藏温度无关；多酚类物质也显示出良好的稳定性；番茄红素在油性基质产品中比在水性基质产品中具有更好的稳定性，因为油脂可以保护番茄红素分子提供脂肪酸，另外，番茄红素在冻干产品中的稳定性比在水分含量高的产品中更好。在所测试的食品中，大多数营养素在经过1年的储藏后，其稳定性仍然很好，但是，为了保证所有营养素都能够稳定，在长期航天飞行中还是必须要考虑储藏温度。关于储藏2年后食品中营养素的保留信息仍然需要了解更多，以便于确定满足火星任务食品保质期超过5年所需的营养学空白，并将针对性强的功能食品整合进火星任务航天食品系统中。

从已有的文献看，NASA及相关协作者正在从多个方面进行长保质期预包装食品的研究，但目前的研究主要是对各类食品的可接受性评价、维生素等易降解营养素的变化情况，以及适宜储藏温度等基本情况的了解。基于火星任务长保质期的需求，相关人员开展了综合产品、包装、加工和环境措施优化食品系统的研究，采用配方调整、新包装和加工技术，以及改进储存条件来优化食品保质期。对两种新的食品加工技术进行了试验：微波辅助热力杀菌（MATS）和压力辅助热力杀菌（PATS）与传统的杀菌釜技术在保留食品色泽、食品物性的前提下对湿包食品稳定性的影响，从而了解在较低处理温度下是否能生产出微量营养素品质较高、保质期较长的食品。结果显示，微波辅助热力杀菌工艺生产出的食品，其最初的色泽和物性很好，但这种优势并不能维持太久。而非金属包装膜很可能不能提供足够的阻氧率，而微波辅助热力杀菌（MATS）与传统的杀菌釜技术在维生素稳定性方面没有差异。类似地，采用压力辅助热力杀菌的水果类产品，经过3年存储后并没有比传统的杀菌釜技术在维生素稳定性方面有所改善。该研究还从食品储藏温度和包装对食品品质的影响进行了研究，结果显示，降低储藏温度并不是抑制奶油饼干逐步酸败的决定性因素，冷冻储藏对果蔬物性品质有损害，而冷藏保存则有助于保持植物性食品的色泽和口感；在包装方面，与阻隔率最高的非金属膜相比，金属外包装膜能显著降低奶油饼干的酸败过程，而加入除氧剂保藏，则会导致奶油饼干的湿度随保存时间的增加而显著增加。采用冷藏与压力辅助热力杀菌结合的方法，有望使大多数水果保存5年后的感官品质具有可接受性。低温稍微对维生素降解有一些缓解，但添加维生素C是一种更为稳妥的强化方法。另外，关于包装的问题也应该进一步研究，以确保在食品保质期内维生素供给的充足。同样地，为了使湿包装主菜及汤的保质期提高到5年，应该进行以下几方面的研究：显著改进微波辅助热力杀菌产品的包装膜、优化配方以调整导电性、维生素强化、低温储藏等。研究也显示，烘焙食品及其他环境敏感性航天食品，需要阻氧、阻湿性好的包装，但脱氧剂和低温并不能改善烘焙食品的保质期。

（未完待续）