太空食品的未来：太空食品的历史与近期进展

八十年代太空中的典型一餐。图片来源：NASA (UC Science Today) 当我们大多数人想到太空食品时，脑海中可能会浮现出你在科学中心礼品店里找到的那些银色包装的冻干冰淇淋。令人惊讶的是，冻干冰淇淋只在1968年的阿波罗7号任务中进入过一次太空[1]。尽管在某个时期，这可能代表了宇航员在太空中实际的食物，但自那时以来，太空食品的发展已经取得了长足的进步（双关语）。

早期水星计划（1953-63年）的食物方块和管状食品。图片来源：NASA (nasa.gov) 最初的太空飞行只持续了几分钟，不足以需要进食。然而，随着飞行时间的增加，科学家们开始研发适合飞行中食用的零食。在NASA的水星计划（1958-63年）期间，宇航员开始测试在太空中进食的生理学，即咀嚼、饮水和吞咽的功能。食物基本上不好吃，主要由脱水方块状固体食物和装在铝管里的半流体混合物组成。当冻干技术在双子座计划（1961-66年）期间引入时，技术得到了改进。冻干技术带来了更好的口味、颜色和质地，并保持了食物形状的完整性。为了复水，使用了水枪将水注入冻干包装中[2]。冻干过程利用了一种称为“升华”的化学原理，即物质从固态直接转变为气态，绕过了液态阶段；如下图所示，这通过特定的压力和温度范围来实现，具体取决于物质[3]。太空食品开发者利用这一原理将冻干食品中的水分转化为蒸汽[2]。冻干过程分为三个阶段：冷冻、初级干燥和次级干燥。在冷冻阶段，产品被冷却到低于其共晶点，即固液两相可以共存的最低温度。在初级干燥阶段，降低压力并施加足够的热量以引起升华。次级干燥阶段去除任何未冻结的水分子[3]。

水的相变图。图片来源：Soham Shukla (IJPSR) 随着冻干技术的应用，太空食品的发展迅速前进。用于复热的温水和改进的包装极大地改善了阿波罗计划（1969-72年）期间的餐食口味和效率。菜单不断增加，食品加热器和餐桌等便利设施进一步改善了天空实验室和航天飞机计划（1973-79年，1981-2011年）期间的飞行美食体验[2]。如今，宇航员的大部分食物看起来与我们在地球上吃的食物非常相似。食物和饮料通常是粉末状或冻干的，只需加水即可。热稳定化是另一种常见技术，它能将食品或饮料产品装在袋子里。在每次任务之前，宇航员都会参加一次“品尝会”，在那里他们会选择自己的餐点并创建个性化的菜单[1]。太空中存在一些必须克服的挑战，这些挑战必须在太空食品中解决。食品必须紧凑轻便，因为目前将食品运往太空的成本高达每磅10,000美元[4]。包装必须能够有效地输送食物，而不会有溢出的风险。零碎的碎屑或液体可能会漂浮到设备中造成巨大损坏，或者被宇航员吸入[2]。营养和保质也是关键因素，因为食品必须能够长时间保存，同时保持营养价值。下图显示了可接受的热稳定化食品数量在5年内的快速下降。对所有类型的热稳定化食品进行了分析，包括蔬菜、淀粉、水果、甜点和肉类。可接受性水平是通过口味以及比色计读数检测到的化学反应分析确定的。有些产品比其他产品能保存更长时间。例如，肉类可保存3年或更长时间，而某些蔬菜只能保存1年。在长期飞行中，由于长期储存和辐射暴露导致维生素和脂肪酸氧化，食品的营养价值会损失[5]。这对于长途任务尤其令人担忧，因为如果饮食中维生素D和叶酸不足，骨密度和视力可能会受到负面影响[6]。

热稳定化太空食品的“保质期”。图片来源：Cooper, Douglas, and Perchonok (Journal of Food Science) 另一个令人头痛的问题是宇航员的用餐体验。在太空中，味蕾的反应不同，味道会变得迟钝，更淡，几乎就像感冒时味觉不灵敏一样[7]。在太空食品刚起步的早期任务中，宇航员经常会失去食欲，因为食物不好吃而且难以准备。许多人最终体重减轻，这反过来又影响了乘员的表现和任务的整体成功[8]。此外，非常重要的是，优质的食物与宇航员的福祉有关。处理思乡之情、艰苦的体力任务以及未知的环境都会对乘员的心理健康造成影响。提供美味且熟悉的食物可以提高船上的生活质量[6]。

太空“汉堡”。图片来源：Terry Virts (Serious Eats) 太空食品的下一步是什么？火星。食品科学家目前正在研究如何在一次至少持续2.5年的任务中为宇航员提供食物（6个月到火星，18个月的表面任务，以及6个月的返回地球旅程）。这可能需要在表面任务期间种植一部分食物[9]。2015年8月，太空种植的第一批作物——生菜，已经准备好品尝了！这些生菜是在国际空间站的VEGGIE植物生长系统中种植的，该系统由生根“枕头”和LED灯作为太阳光的替代品组成[10]。我们最终能否在火星表面种植食物并开发一个安全有效的食物系统？随着NASA和埃隆·马斯克的SpaceX等公司将火星视为人类旅游和最终殖民的下一个目的地[4]，在太空中种植食物无疑将成为未来的必需品。

在国际空间站种植的红罗马生菜。图片来源：NASA (nasa.gov) 引用的参考文献

Billock, J. “The Dark Side of the Spoon: What Astronauts Eat in Space.” Serious Eats. Serious Eats, 18 June 2015. Web. 19 January 2016.
Casaburri, A.A., Gardner, C.A. “Space Food and Nutrition.” Educator’s Guide. NASA. Washington, D.C. 1999. Print.
Shukla, S. Freeze Drying Process: A Review. International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research, 2011; 12: 3061-68.
Evans, J. Space Farming. C&I Agriculture, 2015; 10: 20-23.
Zwart, S.R., Kloeris, V.L., Perchonok, M., Braby, L., Smith, S.M. Assessment of Nutrient Stability in Foods from the Space Food System After Long-Duration Spaceflight on the ISS. Journal of Food Science, 2009; 74: 209-17.
Martin, B. “Unpack a Meal of Astronaut Space Food.” Smithsonian Magazine June 2013: Print.
"Taste in Space." NASA. NASA, 6 February 2015. Web. February 15 2016.
Cooper, M.m Douglas, G., Perchonok, M. Developing the NASA Food System for Long-Duration Missions. Journal of Food Science, 2011; 76: 40-8.
Lane, H.W., Bourland, C., Barrett, A., Heer, M., Smith, S.M. The Role of Nutritional Research in the Success of Human Space Flight. Advances in Nutrition, 2013; 4: 521-23.
“Meals Ready to Eat: Expedition 44 Crew Members Sample Leafy Greens Grown on Space Station.” NASA. NASA, 7 August 2015. Web. 5 February 2016.