阿耳忒弥斯太空食品的现实应用

Otilia Catanescu

Information Scientist, 

CAS

美国宇航局(NASA)重返月球的阿耳忒弥斯(Artemis)计划可能会重新定义未来人类在太空和地球上的饮食方式。目前，七项植物实验已被批准，用以了解在太空成功种植植物的条件。除太空农业之外，3D打印食品、包装技术和微生物组的新应用等创新，也可能对地球上的食物产生重大的影响。太空食品设计所遇到的挑战(保质期、闭环循环、营养供给以及无法烹饪)的解决策略，可以改善地球挑战性环境中的营养获取途径。

太空食品要满足哪些要求呢?

在地球上，大多数人都注重饮食的多样性和营养，而太空食品的几个关键要求是：

1. 食品安全性：防止食品变质、废物处理，以及利用先进的闭环循环再利用生态系统种植植物。

2. 可靠性：能够耐受太空的恶劣生长条件，保质期长，所需空间小食。

3. 营养密度和愉悦感(可口、多样、易制备等)。

太空种植面临独特挑战

由于空间是一个封闭的生态系统——没有重力、没有阳光直射、空间有限、供水也有限，因此，太空种植面临着巨大挑战。没有重力意味着很难烹饪，而且必须尽量减少航天飞机上资源紧张(质量、动力、机组时间、水、废物处理)的压力。由于预包装食品的营养成分会降低，且所需的数量巨大，因此采用预包装食品并不总是可行的方案。在未来的深空探索需要数年的旅行中，无法在途中从地面补给，可携带的食物和水很有限。

有关太空食品的出版物和专利申请

NASA和其他机构在过去几十年一直在发表有关太空食品的出版物和申请专利。利用CAS内容合集(CAS Content Collection^TM)，我们分析了2000年至2022年间全球与太空食品和生命系统有关的科学出版物。该全景分析表明，每次新太空项目的大范围宣布都推动了之后全球出版物和专利量的增加。例如，国际空间站自1993年首次宣布筹建以来，一直在做着巨大的努力。自那以来，出版物和专利数量的增加与此后所进行的2500多项实验高度相关。同样，在2011年NASA宣布商业载人计划后，相关研究明显增加；在2017年宣布Artemis计划后，也有相应的增加(图1)。

图1 与太空探索相关的食品、食品系统和生命系统的年度出版物数量。

新解决方案：3D打印太空食品

国际空间站上3D打印食品的新进展可能会对地球上的一些重大食物挑战产生巨大影响。3D打印机通过在食物中添加特定的成分来制作不同设计和定制的饮食。如今，3D打印机的“墨水”可以由干肉、蔬菜和乳制品粉末组成，并可添加强化微量营养的元素。一些最常见的可打印食用“墨水”包括：土豆泥、巧克力、面团、奶酪、奶油、蛋糕糖霜和水果。

这项技术对于延长太空食品的保质期非常重要。它有利于保持食品材料无菌并以原材料的形式储存，而且也最大限度地减少了所需飞船和空间站上的存储空间。

利用微生物生产营养物质

研究人员们正在研究不同类型的细菌，将空气成分或人体废物转化为营养物质。例如，一种被称为氢营养菌的细菌(hydrogenotrophs，单细胞微生物，可代谢氢获取能量)，可以通过发酵将宇航员呼出的二氧化碳转化为蛋白质。其他研究人员还发现，解脂耶氏酵母(Yarrowia lipolytica，一种烘焙酵母的近亲)可以利用人类尿液来培养制造脂类甚至塑料，这为将自然废弃物转化为人体必需的营养物质提供了可能。

预包装食品

虽然干燥或冷冻食品非常重要，但NASA也正在研究新兴的食品保鲜技术。例如，借助压力辅助热杀菌和微波灭菌技术来确保预包装食品有更高的初始品质和营养。研究人员们还在研制开发更好的包装，以将食品的保质期延长至5年。

闭环系统和太空耕作

要想获得良好并持续的优良营养来源，最佳的选择是依靠宇宙飞船上的种植业。太空农场的存在将有助于创造一个可持续的环境，因为植物可以用来回收废水、产生氧气、净化空气，甚至回收飞船上的粪便。如今，有一个被称为Veggie¹的小型太空园艺栽培室正是如此。它可以容纳六株植物，曾成功种植过莴苣、大白菜、水芥、俄罗斯红甘蓝和百日草²。

太空食品的现实意义

对太空食物领域的研究有助于建立食物与地球之间更好、更可持续的关系。由于闭环温室和垂直农业对水和占地的需求较低，其可应用于干旱、极地、偏远或人口密集的地区。利用空气中的成分生产肉类可以减少牲畜，并减少对土地和水的使用。为太空食品制造的增强型空气净化器目前已用于食品保鲜和手术室中。

3D打印食物可以在缓解地球食物短缺方面发挥作用。3D打印机可以比厨师们更快、更清洁地制作食物，同时还可以制造具有定制化的营养价值和质构的食物。可食用墨水还可以扩大非传统来源食物材料的使用。

所有这些技术都可以减少运输量、包装、配送以及其他运送相关成本，从而减少生态足迹。所以，持续进行太空探索研究的益处已延伸至地球环境，并惠及地球居民；同时，这也为维护和保护陆地生态系统提供了新思路。

1 Veggie: The Vegetable Production System

https://www.nasa.gov/content/growing-plants-in-space

2 过去40年间在太空中种植过的植物列表: 

https://astrobotany.com/plants-grown-in-space/

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