太空，未知，好奇心。一直以來，人類對太空的興趣從未遞減，隨著對月球和火星探索任務的成功開展，人們期望實現(xiàn)更遙遠、更持久、更深入的太空探索。宇航員肩負艙內(nèi)實驗、出艙探測、日常設備養(yǎng)護等繁重任務，保持充沛體力非常重要。而為他們設計營養(yǎng)均衡、食用方便、不產(chǎn)生廢棄垃圾的太空食品就成為深空探索成敗的關鍵環(huán)節(jié)之一。
今年1月，美國宇航局（NASA）與加拿大航天局（CSA）合作，開啟了“深空食物挑戰(zhàn)賽”，旨在為長期太空任務創(chuàng)造新的食品生產(chǎn)技術或系統(tǒng)，這些技術或系統(tǒng)旨在使用最少的投入，最大限度地提高安全、營養(yǎng)和可口的食品產(chǎn)量，并有可能造福全人類。NASA于10月20日宣布了第一階段入圍的18支美國和10支國際項目，CSA于11月10日宣布了入圍的10支加拿大隊伍。這些項目來自學生，廚師，新興企業(yè)等的創(chuàng)新性想法，涉及人造食品，植物生長，生物培養(yǎng)等，代表了美加兩國當前對于太空食品創(chuàng)新的整體思考深度。
研究深空食物，除了供給宇航員，保障深空探索項目的順利開展，還有哪些重大意義？這些入圍項目所展示的深空食品概念又有哪些獨到之處？它們對中國太空食品開發(fā)創(chuàng)新又有多少借鑒作用？
在去年Foodaily發(fā)布的《走出地球，我們該吃什么？回眸太空食品六十年，帶給我們的不止想象》一文中，系統(tǒng)回顧了人類開發(fā)深空食品的歷程，以及其豐富多彩的產(chǎn)品形式。在介紹挑戰(zhàn)賽入圍項目之前，我們需要先回答一個關鍵問題：人類為何對深空食品開發(fā)如此孜孜不倦？它除了起到保障宇航員生理和工作需求外，到底還有哪些被人們忽視掉的深層意義？
1、不斷探索，深空食品不簡單
盡管地球上有許多食物系統(tǒng)可以為太空旅行者帶來好處，但延長月球任務的持續(xù)時間需要減少對地球的補給依賴，而目前的食物系統(tǒng)尚無能力滿足太空飛行需求，因此早期的月球任務將使用類似于當今國際空間站 (ISS) 使用的預包裝食品系統(tǒng)。
然而，基于新的技術進步和科學投入，未來月球任務的類型和持續(xù)時間也將不斷發(fā)展和成熟。航天機構需要解決長期登月任務，以及如何在月球軌道或月球表面為未來的登月人員提供安全、營養(yǎng)的食物，直到食品系統(tǒng)準備好支持火星任務。因此，在月球上測試滿足登月人員需求的可持續(xù)系統(tǒng)是月球可持續(xù)發(fā)展和火星探索的基本步驟。
圖片來源：JAXA
與此同時，糧食不安全也是地球上城市、農(nóng)村和惡劣環(huán)境面臨的一個嚴重的長期問題。在惡劣環(huán)境或氣候極端地區(qū)，在貨架上提供新鮮農(nóng)產(chǎn)品的成本可能非常高。此外，許多地區(qū)只能通過飛機進入，或者只能收獲很少的食品，這往往導致食品質(zhì)量較差。此外，災害還可能擾亂所有人賴以生存的供應鏈，并進一步加劇糧食短缺。
有效利用體積、水和其他用于生產(chǎn)糧食的投入物可以使技術對地球上糧食生產(chǎn)所需資源的影響減少，特別是在極端環(huán)境和資源稀缺地區(qū)。而那些 應用于深空的食品系統(tǒng)解決方案可以支持這些惡劣的環(huán)境，還可以支持其他溫和環(huán)境中的糧食生產(chǎn)，例如在城市中，垂直農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)和其他新型糧食生產(chǎn)技術可以發(fā)揮更重要的作用。
2、什么是深空挑戰(zhàn)賽？
NASA和CSA期望能夠開發(fā)新的食品生產(chǎn)技術和/或系統(tǒng)，它們不需要滿足未來船員的全部營養(yǎng)需求，但可以作為綜合食品系統(tǒng)的一部分。其目標是為四名宇航員在無需補給的情況下，提供長達三年的往返任務所需的糧食。同時，這一挑戰(zhàn)也希望 以最少的投入和最少的浪費實現(xiàn)最多的糧食產(chǎn)出，改善地球上食物功效的局限性，特別是可以在城市中心和偏遠惡劣環(huán)境中直接生產(chǎn)，或者在短時間被制作各種美味、營養(yǎng)和安全的食品。
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在普通人的眼中，太空食品就像那個裝載它的巨大船艙一樣充滿神秘感和科技感。盡管深空，科技，食物系統(tǒng)聽起來與普通消費者距離頗為遙遠，但像如今在食品行業(yè)被廣泛采用的真空凍干技術、蒸煮包裝技術等，最早都是來自太空食品。從牙膏類糊狀食品，到罐頭，再到速食包，未來的深空食品會是啥樣呢？
1、能上天，更能入地的加工食物
（1）無碎屑的太空面包
Space Bread是佛羅里達大學食品與農(nóng)業(yè)科學研究所的博士生Hope Hersh和她的團隊提出了在太空制作新鮮面包的想法。在此之前，面包是禁止被帶上太空的，食用或打開面包產(chǎn)生的大量面包屑可能會進入儀器，造成對太空飛行的威脅。
Hope 和她的團隊提出了一種創(chuàng)新的食品技術，用于在太空中制作面包。使用可以存儲用來制作面包面團的成分，然后在袋中烘烤面包面團的所有成分，而這些成分無需離開袋子。特殊的袋子由氟化乙烯丙烯或 EFP 塑料制成，可以在-200℃~+200 ℃的任意溫度使用。同時，這款袋子不會以任何方式分解，這意味著袋子不會污染食物或將任何化學顆粒帶入食物。
上圖：用 EFP 工藝制作的面包下圖：EFP 工藝面包原料包
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（2）憑“空”造蛋白
來自芬蘭的科技公司Solar Foods開發(fā)了一種可以通過氣體發(fā)酵生產(chǎn)單細胞蛋白質(zhì)的技術。生成的蛋白質(zhì)稱為Solein，可以與任何食物混合。Solein是亮黃色、無味的粉末，是一種完整的蛋白質(zhì)——含有身體只能從飲食中獲得的所有九種氨基酸，可以生產(chǎn)出營養(yǎng)豐富的代餐產(chǎn)品。
這一技術基于一種特殊類型的來自芬蘭野外的微生物，這種微生物以氫、二氧化碳、氧和其他一些礦物質(zhì)（如氮）為生（可類似為植物的生存方式——除了植物使用二氧化碳和陽光）。將空氣中的水分通過電流分解成微生物所需的氫氣和氧氣，再加入碳和少量鐵、鉀和鈣等礦物質(zhì)，微生物就能在發(fā)酵罐中以類似啤酒發(fā)酵的方式生長。微生物生長后，將水從發(fā)酵罐中取出并干燥，就能獲得粉狀的可供食用的 Solein 蛋白質(zhì)。
Solar Foods實驗室用于生產(chǎn)Solein的發(fā)酵罐
圖片來源：Solar Foods
Solar Foods指出，這個技術占用極小的空間，不使用耕地，直接使用空氣中的水，是迄今為止創(chuàng)造的最可持續(xù)的食物，比任何傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)形式都要多。與基于植物的蛋白質(zhì)相比，Solein 對環(huán)境的影響約為植物蛋白的 1/10，與動物生產(chǎn)（尤其是肉類）相比僅為 1/100。
（3）塑料食物
這是一種名為 μBites 的基于微生物的下一代食品生產(chǎn)系統(tǒng)，將利用塑料和生物質(zhì)廢物作為食品生產(chǎn)的碳源制造食物。例如，使用制造食物的一次性塑料容器。將這些成分研磨成均勻的漿料后，然后將其送入使用氧化水熱溶解 (OHD) 技術的反應器中，該技術使用水、熱量、壓力和氧氣來分解生物質(zhì)并將其轉化為不同類型的前體，例如在太空下，轉化為液態(tài)碳。然后將液態(tài)碳泵入生物反應器袋中，與工程微生物（如酵母）相接觸，進一步處理漿液并產(chǎn)生食品成分。盡可能多的回收水分用于未來加工，同時漿料進入下一步：制備成所需的稠度，從半固體到液體。并進一步與干香料或補充劑混合，以實現(xiàn)最終的、高度可定制的食物。
μBites研究團隊
圖片來源：https://news.siu.edu/
2、細胞培育
（1）昆蟲細胞的激活和仿肉
Deep Space Entomoculture是一種深空昆蟲養(yǎng)殖技術，該生產(chǎn)方法涉及一種獨立設備，旨在從昆蟲細胞中生產(chǎn)食物。昆蟲細胞比普通肉類更容易適應太空生長，將干燥保存的昆蟲細胞運送到太空，在懸浮生物反應器中以簡單的成分重新激活，用于生產(chǎn)模仿傳統(tǒng)肉制品的肌肉和脂肪生物質(zhì)，創(chuàng)建包含來自昆蟲細胞的蛋白質(zhì)和脂肪的熟悉的肉類類似物（漢堡、碎肉）。
（2）太空培育的細胞肉
Mission Space Food的項目建立在經(jīng)過驗證且可靠的預包裝食品系統(tǒng)的基礎上，同時也利用了太空食品生產(chǎn)令人興奮的新前景。該項目將使用細胞冷凍保存和生物反應器，在太空中用多能干細胞中培養(yǎng)肉類。與基于牧場的養(yǎng)牛相比，這種方法將使宇航員生產(chǎn)肉類的投入減少近 1,000 倍。該系統(tǒng)可適用于種植其他肉類，如豬肉或羊肉，進一步擴大了食物的選擇范圍。
圖片來源：Mission Space Food
Space Food是一個由太空、食品和技術專家組成的聯(lián)盟，旨在為人類在太空中的營養(yǎng)創(chuàng)造一種綜合方法。在子公司 Aleph Farm 技術平臺和 Astrea 的烹飪和工程專業(yè)知識的支持下，Space Food設計了新的太空食品，重新定義太空食物的多感官樂趣，并為深空探索創(chuàng)造基礎設施。
3、植物生長
（1）共生的食物系統(tǒng)
康奈爾大學名為 BigRedBites 的學生團隊設計了一種緊湊的共生食物系統(tǒng)概念，由藍藻、酵母、蘑菇和植物構成。根據(jù)設計，這一系統(tǒng)可以生產(chǎn)各種大小和質(zhì)地的蘑菇、新鮮蔬菜和植物性肉類替代品，例如肉餅、肉丸和薯條，并提供大約宇航員每日所需熱量的 15%。
該系統(tǒng)通過創(chuàng)建相互關聯(lián)的子系統(tǒng)，可以最大限度地減少所需的土壤、水和養(yǎng)分，并最大限度地提高多樣化的糧食生產(chǎn)。各個子系統(tǒng)分別生產(chǎn)藍藻和酵母、植物和蘑菇。然后每個系統(tǒng)產(chǎn)生的廢物，如二氧化碳、氧氣和水，可以被回收到其他子系統(tǒng)中，并用來種植更多的食物。同時3D 打印人造土壤和共生共存等創(chuàng)新可最大限度地利用每個子系統(tǒng)的廢物并最大限度地減少外部輸入。
BigRedBites團隊
圖片來源：BigRedBites
（2）環(huán)境控制溫室
太空初創(chuàng)公司Interstellar Lab（星際實驗室）創(chuàng)建了名為 BioPods 的先進環(huán)境控制溫室，旨在在任何地方種植水果、蔬菜、花卉和植物。這項名為 Nucleus 的太空技術是一種模塊化生物再生系統(tǒng)，可生產(chǎn)新鮮的微型蔬菜、蔬菜、蘑菇和昆蟲，能夠為長期太空任務提供微量營養(yǎng)素。它結合了幾個自主植物加速器來創(chuàng)建一個自我維持的食物生產(chǎn)系統(tǒng)，從而最大限度地減少水、空氣和養(yǎng)分的輸入。
Interstellar Lab的環(huán)境控制模塊，用于地球上的可持續(xù)農(nóng)業(yè)和太空中的生命支持。
圖片來源：Interstellar Lab
Interstellar Lab使用 3D 打印技術來制造BioPods的膜和材料系統(tǒng)。該公司還計劃使用3D 打印其稱為實驗生物再生站 (EBios)的火星模擬器，這是地球上第一個閉環(huán)、環(huán)境控制的村莊。Interstellar Lab 擁有一支由 15 名前SpaceX、迪士尼、空客和泰雷茲員工組成的夢之隊，該團隊的目標是通過 AM 擴大 BioPods 的生產(chǎn)規(guī)模，以滿足地球和軌道上對食物日益增長的需求。
（3）多功能垂直農(nóng)場
Space Lab Café（太空實驗室咖啡館）是Space Lab Technologies 的一種新型作物生產(chǎn)系統(tǒng)，是一個緊湊的垂直農(nóng)場，能夠以最少的水、電、浪費或加工時間連續(xù)生產(chǎn)各種營養(yǎng)產(chǎn)品。這一系統(tǒng)可種植多種作物，葉菜、結果作物、有根蔬菜、微型蔬菜、蘑菇甚至豆類。最重要的是，它可以在有或沒有重力的情況下在月球、火星或航天器棲息地運行，同時也可為地球的城市中心或偏遠、惡劣的環(huán)境提供從農(nóng)場到餐桌的解決方案。
Space Lab Café具有多種功能。該系統(tǒng)可生成個性化菜單，使用者可選擇所需的成分，系統(tǒng)則同時建議其他作物，以填補缺少的營養(yǎng)。移動根容器支持連續(xù)種植，因此可以連續(xù)收獲即食作物而幾乎不需要冷藏。而微重力兼容的澆水系統(tǒng)則可以在任何空間環(huán)境中為所有類型的蔬菜施料和通氣，同時阻止微生物生長和自我清潔。
Space Lab Café模擬圖
圖片來源：Space Lab Café
此外，Space Lab 擁有先進的 3D 打印能力，可用于快速成型，支持眾多低溫和高溫細絲、氧化硅 (SiO2) 陶瓷樹脂、航空級材料和 FDA 批準的生物相容性材料，用以項目材料的支撐。
4、3D打印技術
（1）脫水粉末的3D打印
Beehex公司提出的一種通用食品制造機器 (UFF)，該多功能系統(tǒng)可以將植物和培養(yǎng)肉脫水成粉末狀食物，將它們儲存在密封盒中以延長保質(zhì)期（5 年以上），并在需要時使用盒中儲存的食物通過3D打印制造食品。這個獨特的項目強調(diào)需要最少投入的安全、營養(yǎng)食品的最大化，為宇航員提供滿足其基本需求的適應性工具。
自 2017 年問世以來，BeeHex 一直在利用 3D 打印、機器人技術、人工智能 (AI) 和機器學習來實現(xiàn)個性化營養(yǎng)的自動化。這家初創(chuàng)公司甚至開發(fā)了一個系統(tǒng)來生產(chǎn)由美國陸軍資助的定制營養(yǎng)棒，并且正在通過重新思考食物準備和放棄其正在申請專利的 3D 食品打印和機器人系統(tǒng)來改變食物的制作方式。同時，在2017年，Beehex公司就已與 NASA 簽訂合同，開發(fā)太空披薩3D打印機。
BeeHex 3D 食品打印技術正在運行
圖片來源：BeeHex
（2）3D 打印食物系統(tǒng)
泰國航空航天工程師團隊 KEETA 是國際類別的十名獲勝者之一，提出了一種 3D 打印食物系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用相互依存的微生態(tài)系統(tǒng)的輸出來創(chuàng)造各種營養(yǎng)豐富的食物。生態(tài)系統(tǒng)由生產(chǎn)者（藻類）、昆蟲和分解者（紅螞蟻）組成，昆蟲將富含蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)，同時提供多種風味。
根據(jù)泰國外交部的社交媒體帖子，KEETA 團隊“利用泰國飲食文化的優(yōu)勢，例如結合 3D 打印技術的昆蟲的好處，創(chuàng)建了一個外觀和味道都不錯的食品生產(chǎn)系統(tǒng)?！?/p>
（3）3D打印與其他技術的融合
ALSEC Alimentos Secos也是國際類別的十名獲勝者之一，該團隊提出了一種食品生產(chǎn)系統(tǒng)，融合了四種指數(shù)技術：微膠囊化、納米技術、人工智能和 3D 打印，以配制和開發(fā)天然、有機和高營養(yǎng)的粉狀食品。
ALSEC 是哥倫比亞最具創(chuàng)新性的食品公司之一，通過結合微納米封裝和噴霧干燥技術，率先在當?shù)厣a(chǎn)和開發(fā)具有高營養(yǎng)價值的粉狀成分和成品。
2021年9月17日下午，神舟十二號載人飛行任務取得圓滿成功，在太空生活工作整整3個月的3名航天員順利出差回家。與此同時，航天英雄們在太空的餐食也頻頻登上熱搜，魚香肉絲、宮保雞丁、黑椒牛柳、香辣羊肉、麻辣豆干......等120余款專為航天員配備的菜品，營養(yǎng)豐富均衡，重復率低。
前不久發(fā)射的神舟十三號飛船上，除了載有100多種食物，科研人員還為航天員準備了個性化食譜。比如，王亞平是山東人，特意給她配置了海鮮；葉光富來自成都，菜譜相對偏辣；翟志剛是東北人，口味則比較廣泛。
圖片來源：CGTN
我國是世界上最早實現(xiàn)太空育種的國家，經(jīng)過30多年的太空育種經(jīng)驗的沉淀，中國目前是世界上唯一擁有為中國居民提供太空育種計劃的國家。與神舟十二號航天員一起進入太空的，還有來自云南的22株乳業(yè)鮮活菌，這也是首次有益生菌在太空中生活3個月。
國內(nèi)乳酸菌產(chǎn)業(yè)相對起步較晚，菌種采集、培育、分離技術都是由外國企業(yè)壟斷。乳業(yè)鮮活菌在開展太空育種科研項目，就是為了利用太空特殊的環(huán)境誘變作用，使菌種產(chǎn)生變異，再返回地面培育微生物新菌種， 促使我國益生菌菌種選育上取得突破，從而開發(fā)出更具特色化的、適合中國人體質(zhì)的產(chǎn)品。
我國的太空農(nóng)業(yè)研究居于世界前列，首個“月球微型農(nóng)場”已被嫦娥四號送上月球，成功實現(xiàn)了人類首次在月球培育植物幼苗的試驗。今年10月，中國農(nóng)業(yè)科學院發(fā)表了展望性文章，深入分析了太空農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對作物的獨特要求，創(chuàng)新性提出了面向太空農(nóng)場進行作物改良的全株可食精英植物策略。研究人員以馬鈴薯為模式作物，探索食用部分更多、營養(yǎng)成分更豐富、產(chǎn)量更高、養(yǎng)分利用更有效的精英作物， 這一策略的綜合應用將能夠有效促進太空農(nóng)業(yè)、都市農(nóng)業(yè)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。
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更值得一提的是，家電廚具也成功在太空安家落戶，擁有10項專利技術的航天微波爐和自重輕、隔熱效果好的納米氣凝膠大冰箱也讓航天員吃得更有營養(yǎng)、更加美味。
食物，是所有載人太空探索任務的重要組成部分。如何開發(fā) 以最少投入、最大限度地提高安全和營養(yǎng)食品產(chǎn)量的創(chuàng)新食品系統(tǒng)，將是人類在月球表面可持續(xù)居留和未來執(zhí)行火星探索任務的關鍵。
從NASA“深空食品挑戰(zhàn)賽”入圍項目中，我們不難看出：與其說這些技術是在為深空探索提供更加高效安全的食物保障，不如說是在 探索未來人類食物的低碳高效的生產(chǎn)模式。不論是在深空飼養(yǎng)昆蟲，提取優(yōu)質(zhì)的昆蟲蛋白，還是以塑料和生物質(zhì)廢料作為基料，通過工程酵母生產(chǎn)食物，都是在太空這個大舞臺上進行著未來食物的大膽實驗。可以預想，不久的將來，我們一定可以吃上太空種子結出的瓜果，喝上在太空遨游后變得更“強壯”、更“高產(chǎn)”益生菌株制作的酸奶。到那一天，才是這些深空食品項目真正大放異彩之時！
隨著可持續(xù)觀念逐漸深入人心，碳中和作為國策大幕徐啟，人們開始思考未來的食物生產(chǎn)系統(tǒng)將走向何方。深空食品的研究，必將為大眾民用食品創(chuàng)新打開更廣闊的視角。Foodaily期待著中國航天員的腳步能夠不斷踏向更深遠的太空，也堅信中國深空食品會像神舟飛船一樣，讓世界刮目相看！
太空中沒有浪費，只有無盡的探索。
本文來自微信公眾號 “Foodaily每日食品”（ID：foodaily），作者：Sabrina，36氪經(jīng)授權發(fā)布。
