如何让宇航员吃得更好，竟关乎人类未来？

太空，未知，好奇心。一直以来，人类对太空的兴趣从未递减，随着对月球和火星探索任务的成功开展，人们期望实现更遥远、更持久、更深入的太空探索。宇航员肩负舱内实验、出舱探测、日常设备养护等繁重任务，保持充沛体力非常重要。而为他们设计营养均衡、食用方便、不产生废弃垃圾的太空食品就成为深空探索成败的关键环节之一。 

今年1月，美国宇航局（NASA）与加拿大航天局（CSA）合作，开启了“深空食物挑战赛”，旨在为长期太空任务创造新的食品生产技术或系统，这些技术或系统旨在使用最少的投入，最大限度地提高安全、营养和可口的食品产量，并有可能造福全人类。NASA于10月20日宣布了第一阶段入围的18支美国和10支国际项目，CSA于11月10日宣布了入围的10支加拿大队伍。这些项目来自学生，厨师，新兴企业等的创新性想法，涉及人造食品，植物生长，生物培养等，代表了美加两国当前对于太空食品创新的整体思考深度。 

研究深空食物，除了供给宇航员，保障深空探索项目的顺利开展，还有哪些重大意义？这些入围项目所展示的深空食品概念又有哪些独到之处？它们对中国太空食品开发创新又有多少借鉴作用？ 

深空远航，食物为基

在去年Foodaily发布的《走出地球，我们该吃什么？回眸太空食品六十年，带给我们的不止想象》一文中，系统回顾了人类开发深空食品的历程，以及其丰富多彩的产品形式。在介绍挑战赛入围项目之前，我们需要先回答一个关键问题：人类为何对深空食品开发如此孜孜不倦？它除了起到保障宇航员生理和工作需求外，到底还有哪些被人们忽视掉的深层意义？ 

1、不断探索，深空食品不简单 

尽管地球上有许多食物系统可以为太空旅行者带来好处，但延长月球任务的持续时间需要减少对地球的补给依赖，而目前的食物系统尚无能力满足太空飞行需求，因此早期的月球任务将使用类似于当今国际空间站 (ISS) 使用的预包装食品系统。 

然而，基于新的技术进步和科学投入，未来月球任务的类型和持续时间也将不断发展和成熟。 航天机构需要解决长期登月任务，以及如何在月球轨道或月球表面为未来的登月人员提供安全、营养的食物，直到食品系统准备好支持火星任务。因此，在月球上测试满足登月人员需求的可持续系统是月球可持续发展和火星探索的基本步骤。 

图片来源：JAXA 

与此同时，粮食不安全也是地球上城市、农村和恶劣环境面临的一个严重的长期问题。在恶劣环境或气候极端地区，在货架上提供新鲜农产品的成本可能非常高。此外，许多地区只能通过飞机进入，或者只能收获很少的食品，这往往导致食品质量较差。此外，灾害还可能扰乱所有人赖以生存的供应链，并进一步加剧粮食短缺。 

有效利用体积、水和其他用于生产粮食的投入物可以使技术对地球上粮食生产所需资源的影响减少，特别是在极端环境和资源稀缺地区。而那些应用于深空的食品系统解决方案可以支持这些恶劣的环境，还可以支持其他温和环境中的粮食生产，例如在城市中，垂直农业、都市农业和其他新型粮食生产技术可以发挥更重要的作用。 

2、什么是深空挑战赛？ 

NASA和CSA期望能够开发新的食品生产技术和/或系统，它们不需要满足未来船员的全部营养需求，但可以作为综合食品系统的一部分。其目标是为四名宇航员在无需补给的情况下，提供长达三年的往返任务所需的粮食。同时，这一挑战也希望以最少的投入和最少的浪费实现最多的粮食产出，改善地球上食物功效的局限性，特别是可以在城市中心和偏远恶劣环境中直接生产，或者在短时间被制作各种美味、营养和安全的食品。 

图片来源：facebook 

被NASA精挑细选过的深空项目，

都在聚焦怎样的食品创新？

在普通人的眼中，太空食品就像那个装载它的巨大船舱一样充满神秘感和科技感。尽管深空，科技，食物系统听起来与普通消费者距离颇为遥远，但像如今在食品行业被广泛采用的真空冻干技术、蒸煮包装技术等，最早都是来自太空食品。从牙膏类糊状食品，到罐头，再到速食包，未来的深空食品会是啥样呢？ 

1、能上天，更能入地的加工食物

（1）无碎屑的太空面包

Space Bread是佛罗里达大学食品与农业科学研究所的博士生Hope Hersh和她的团队提出了在太空制作新鲜面包的想法。在此之前，面包是禁止被带上太空的，食用或打开面包产生的大量面包屑可能会进入仪器，造成对太空飞行的威胁。 

Hope 和她的团队提出了一种创新的食品技术，用于在太空中制作面包。使用可以存储用来制作面包面团的成分，然后在袋中烘烤面包面团的所有成分，而这些成分无需离开袋子。特殊的袋子由氟化乙烯丙烯或 EFP 塑料制成，可以在-200℃~+200 ℃的任意温度使用。同时，这款袋子不会以任何方式分解，这意味着袋子不会污染食物或将任何化学颗粒带入食物。 

上图：用 EFP 工艺制作的面包    下图：EFP 工艺面包原料包

图片来源：YouTube 

（2）凭“空”造蛋白

来自芬兰的科技公司Solar Foods开发了一种可以通过气体发酵生产单细胞蛋白质的技术。生成的蛋白质称为Solein，可以与任何食物混合。Solein是亮黄色、无味的粉末，是一种完整的蛋白质——含有身体只能从饮食中获得的所有九种氨基酸，可以生产出营养丰富的代餐产品。 

这一技术基于一种特殊类型的来自芬兰野外的微生物，这种微生物以氢、二氧化碳、氧和其他一些矿物质（如氮）为生（可类似为植物的生存方式——除了植物使用二氧化碳和阳光）。将空气中的水分通过电流分解成微生物所需的氢气和氧气，再加入碳和少量铁、钾和钙等矿物质，微生物就能在发酵罐中以类似啤酒发酵的方式生长。微生物生长后，将水从发酵罐中取出并干燥，就能获得粉状的可供食用的 Solein 蛋白质。

Solar Foods实验室用于生产Solein的发酵罐

图片来源：Solar Foods 

Solar Foods指出，这个技术占用极小的空间，不使用耕地，直接使用空气中的水，是迄今为止创造的最可持续的食物，比任何传统的农业形式都要多。 与基于植物的蛋白质相比，Solein 对环境的影响约为植物蛋白的 1/10，与动物生产（尤其是肉类）相比仅为 1/100。  

（3）塑料食物

这是一种名为 μBites 的基于微生物的下一代食品生产系统，将利用塑料和生物质废物作为食品生产的碳源制造食物。例如，使用制造食物的一次性塑料容器。将这些成分研磨成均匀的浆料后，然后将其送入使用氧化水热溶解 (OHD) 技术的反应器中，该技术使用水、热量、压力和氧气来分解生物质并将其转化为不同类型的前体，例如在太空下，转化为液态碳。然后将液态碳泵入生物反应器袋中，与工程微生物（如酵母）相接触，进一步处理浆液并产生食品成分。尽可能多的回收水分用于未来加工，同时浆料进入下一步：制备成所需的稠度，从半固体到液体。并进一步与干香料或补充剂混合，以实现最终的、高度可定制的食物。 

μBites研究团队

图片来源：https://news.siu.edu/ 

2、细胞培育

（1）昆虫细胞的激活和仿肉

Deep Space Entomoculture是一种深空昆虫养殖技术，该生产方法涉及一种独立设备，旨在从昆虫细胞中生产食物。昆虫细胞比普通肉类更容易适应太空生长，将干燥保存的昆虫细胞运送到太空，在悬浮生物反应器中以简单的成分重新激活，用于生产模仿传统肉制品的肌肉和脂肪生物质，创建包含来自昆虫细胞的蛋白质和脂肪的熟悉的肉类类似物（汉堡、碎肉）。 

（2）太空培育的细胞肉

Mission Space Food的项目建立在经过验证且可靠的预包装食品系统的基础上，同时也利用了太空食品生产令人兴奋的新前景。该项目将使用细胞冷冻保存和生物反应器，在太空中用多能干细胞中培养肉类。与基于牧场的养牛相比，这种方法将使宇航员生产肉类的投入减少近 1,000 倍。该系统可适用于种植其他肉类，如猪肉或羊肉，进一步扩大了食物的选择范围。 

图片来源：Mission Space Food 

Space Food是一个由太空、食品和技术专家组成的联盟，旨在为人类在太空中的营养创造一种综合方法。在子公司 Aleph Farm 技术平台和 Astrea 的烹饪和工程专业知识的支持下，Space Food设计了新的太空食品，重新定义太空食物的多感官乐趣，并为深空探索创造基础设施。 

3、植物生长

（1）共生的食物系统

康奈尔大学名为 BigRedBites 的学生团队设计了一种紧凑的共生食物系统概念，由蓝藻、酵母、蘑菇和植物构成。根据设计，这一系统可以生产各种大小和质地的蘑菇、新鲜蔬菜和植物性肉类替代品，例如肉饼、肉丸和薯条，并提供大约宇航员每日所需热量的 15%。 

该系统通过创建相互关联的子系统，可以最大限度地减少所需的土壤、水和养分，并最大限度地提高多样化的粮食生产。各个子系统分别生产蓝藻和酵母、植物和蘑菇。然后每个系统产生的废物，如二氧化碳、氧气和水，可以被回收到其他子系统中，并用来种植更多的食物。同时3D 打印人造土壤和共生共存等创新可最大限度地利用每个子系统的废物并最大限度地减少外部输入。 

BigRedBites团队

图片来源：BigRedBites 

（2）环境控制温室

太空初创公司Interstellar Lab（星际实验室）创建了名为 BioPods 的先进环境控制温室，旨在在任何地方种植水果、蔬菜、花卉和植物。这项名为 Nucleus 的太空技术是一种模块化生物再生系统，可生产新鲜的微型蔬菜、蔬菜、蘑菇和昆虫，能够为长期太空任务提供微量营养素。它结合了几个自主植物加速器来创建一个自我维持的食物生产系统，从而最大限度地减少水、空气和养分的输入。 

Interstellar Lab的环境控制模块，用于地球上的可持续农业和太空中的生命支持。

图片来源：Interstellar Lab   

Interstellar Lab使用 3D 打印技术来制造BioPods的膜和材料系统。该公司还计划使用3D 打印其称为实验生物再生站 (EBios)的火星模拟器，这是地球上第一个闭环、环境控制的村庄。Interstellar Lab 拥有一支由 15 名前SpaceX、迪士尼、空客和泰雷兹员工组成的梦之队，该团队的目标是通过 AM 扩大 BioPods 的生产规模，以满足地球和轨道上对食物日益增长的需求。 

（3）多功能垂直农场

Space Lab Café（太空实验室咖啡馆）是Space Lab Technologies 的一种新型作物生产系统，是一个紧凑的垂直农场，能够以最少的水、电、浪费或加工时间连续生产各种营养产品。这一系统可种植多种作物，叶菜、结果作物、有根蔬菜、微型蔬菜、蘑菇甚至豆类。最重要的是，它可以在有或没有重力的情况下在月球、火星或航天器栖息地运行，同时也可为地球的城市中心或偏远、恶劣的环境提供从农场到餐桌的解决方案。 

Space Lab Café具有多种功能。该系统可生成个性化菜单，使用者可选择所需的成分，系统则同时建议其他作物，以填补缺少的营养。移动根容器支持连续种植，因此可以连续收获即食作物而几乎不需要冷藏。而微重力兼容的浇水系统则可以在任何空间环境中为所有类型的蔬菜施料和通气，同时阻止微生物生长和自我清洁。 

Space Lab Café模拟图

图片来源：Space Lab Café 

此外，Space Lab 拥有先进的 3D 打印能力，可用于快速成型，支持众多低温和高温细丝、氧化硅 (SiO2) 陶瓷树脂、航空级材料和 FDA 批准的生物相容性材料，用以项目材料的支撑。 

4、3D打印技术

（1）脱水粉末的3D打印

Beehex公司提出的一种通用食品制造机器 (UFF)，该多功能系统可以将植物和培养肉脱水成粉末状食物，将它们储存在密封盒中以延长保质期（5 年以上），并在需要时使用盒中储存的食物通过3D打印制造食品。这个独特的项目强调需要最少投入的安全、营养食品的最大化，为宇航员提供满足其基本需求的适应性工具。 

自 2017 年问世以来，BeeHex 一直在利用 3D 打印、机器人技术、人工智能 (AI) 和机器学习来实现个性化营养的自动化。这家初创公司甚至开发了一个系统来生产由美国陆军资助的定制营养棒，并且正在通过重新思考食物准备和放弃其正在申请专利的 3D 食品打印和机器人系统来改变食物的制作方式。同时，在2017年，Beehex公司就已与 NASA 签订合同，开发太空披萨3D打印机。 

BeeHex 3D 食品打印技术正在运行

图片来源：BeeHex 

（2）3D 打印食物系统

泰国航空航天工程师团队 KEETA 是国际类别的十名获胜者之一，提出了一种 3D 打印食物系统，该系统利用相互依存的微生态系统的输出来创造各种营养丰富的食物。生态系统由生产者（藻类）、昆虫和分解者（红蚂蚁）组成，昆虫将富含蛋白质、维生素和矿物质，同时提供多种风味。 

根据泰国外交部的社交媒体帖子，KEETA 团队“利用泰国饮食文化的优势，例如结合 3D 打印技术的昆虫的好处，创建了一个外观和味道都不错的食品生产系统。” 

（3）3D打印与其他技术的融合

ALSEC Alimentos Secos也是国际类别的十名获胜者之一，该团队提出了一种食品生产系统，融合了四种指数技术：微胶囊化、纳米技术、人工智能和 3D 打印，以配制和开发天然、有机和高营养的粉状食品。 ALSEC 是哥伦比亚最具创新性的食品公司之一，通过结合微纳米封装和喷雾干燥技术，率先在当地生产和开发具有高营养价值的粉状成分和成品。 

中国，走在世界前列

2021年9月17日下午，神舟十二号载人飞行任务取得圆满成功，在太空生活工作整整3个月的3名航天员顺利出差回家。与此同时，航天英雄们在太空的餐食也频频登上热搜，鱼香肉丝、宫保鸡丁、黑椒牛柳、香辣羊肉、麻辣豆干......等120余款专为航天员配备的菜品，营养丰富均衡，重复率低。 

前不久发射的神舟十三号飞船上，除了载有100多种食物，科研人员还为航天员准备了个性化食谱。比如，王亚平是山东人，特意给她配置了海鲜；叶光富来自成都，菜谱相对偏辣；翟志刚是东北人，口味则比较广泛。 

图片来源：CGTN 

我国是世界上最早实现太空育种的国家，经过30多年的太空育种经验的沉淀，中国目前是世界上唯一拥有为中国居民提供太空育种计划的国家。与神舟十二号航天员一起进入太空的，还有来自云南的22株乳业鲜活菌，这也是首次有益生菌在太空中生活3个月。 

国内乳酸菌产业相对起步较晚，菌种采集、培育、分离技术都是由外国企业垄断。乳业鲜活菌在开展太空育种科研项目，就是为了利用太空特殊的环境诱变作用，使菌种产生变异，再返回地面培育微生物新菌种，促使我国益生菌菌种选育上取得突破，从而开发出更具特色化的、适合中国人体质的产品。 

我国的太空农业研究居于世界前列，首个“月球微型农场”已被嫦娥四号送上月球，成功实现了人类首次在月球培育植物幼苗的试验。今年10月，中国农业科学院发表了展望性文章，深入分析了太空农业系统对作物的独特要求，创新性提出了面向太空农场进行作物改良的全株可食精英植物策略。研究人员以马铃薯为模式作物，探索食用部分更多、营养成分更丰富、产量更高、养分利用更有效的精英作物，这一策略的综合应用将能够有效促进太空农业、都市农业和传统农业的发展。 

图片来源：CCTV 

更值得一提的是，家电厨具也成功在太空安家落户，拥有10项专利技术的航天微波炉和自重轻、隔热效果好的纳米气凝胶大冰箱也让航天员吃得更有营养、更加美味。 

着眼太空，放眼未来

 食物，是所有载人太空探索任务的重要组成部分。如何开发以最少投入、最大限度地提高安全和营养食品产量的创新食品系统，将是人类在月球表面可持续居留和未来执行火星探索任务的关键。 

从NASA“深空食品挑战赛”入围项目中，我们不难看出：与其说这些技术是在为深空探索提供更加高效安全的食物保障，不如说是在探索未来人类食物的低碳高效的生产模式。不论是在深空饲养昆虫，提取优质的昆虫蛋白，还是以塑料和生物质废料作为基料，通过工程酵母生产食物，都是在太空这个大舞台上进行着未来食物的大胆实验。可以预想，不久的将来，我们一定可以吃上太空种子结出的瓜果，喝上在太空遨游后变得更“强壮”、更“高产”益生菌株制作的酸奶。到那一天，才是这些深空食品项目真正大放异彩之时！ 

随着可持续观念逐渐深入人心，碳中和作为国策大幕徐启，人们开始思考未来的食物生产系统将走向何方。深空食品的研究，必将为大众民用食品创新打开更广阔的视角。Foodaily期待着中国航天员的脚步能够不断踏向更深远的太空，也坚信中国深空食品会像神舟飞船一样，让世界刮目相看！ 太空中没有浪费，只有无尽的探索。