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。
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與此同時，糧食不安全也是地球上城市、農村和惡劣環(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產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、水和其他用于生產糧食的投入物可以使技術對地球上糧食生產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，例如在城市中，垂直農業(yè)、都市農業(yè)和其他新型糧食生產技術可以發(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，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)酵生產單細胞蛋白質的技術。生成的蛋白質稱為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——含有身體只能從飲食中獲得的所有九種氨基酸，可以生產出營養(yǎng)豐富的代餐產品。
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（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，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。
Solar Foods實驗室用于生產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)的農業(yè)形式都要多。與基于植物的蛋白質相比，Solein 對環(huán)境的影響約為植物蛋白的 1/10，與動物生產（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系統(tǒng)，將利用塑料和生物質廢物作為食品生產的碳源制造食物。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，該生產方法涉及一種獨立設備，旨在從昆蟲細胞中生產食物。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，用于生產模仿傳統(tǒng)肉制品的肌肉和脂肪生物質，創(chuàng)建包含來自昆蟲細胞的蛋白質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。根據設計，這一系統(tǒng)可以生產各種大小和質地的蘑菇、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。各個子系統(tǒng)分別生產藍藻和酵母、植物和蘑菇。然后每個系統(tǒng)產生的廢物，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系統(tǒng)，是一個緊湊的垂直農場，能夠以最少的水、電、浪費或加工時間連續(xù)生產各種營養(yǎng)產品。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)由生產者（藻類）、昆蟲和分解者（紅螞蟻）組成，昆蟲將富含蛋白質、維生素和礦物質，同時提供多種風味。
根據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，經過30多年的太空育種經驗的沉淀，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。
國內乳酸菌產業(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、適合中國人體質的產品。
我國的太空農業(yè)研究居于世界前列，首個“月球微型農場”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，中國農業(yè)科學院發(fā)表了展望性文章，深入分析了太空農業(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業(yè)、都市農業(yè)和傳統(tǒng)農業(yè)的發(fā)展。
圖片來源：CCTV
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模式。不論是在深空飼養(yǎng)昆蟲，提取優(yōu)質的昆蟲蛋白，還是以塑料和生物質廢料作為基料，通過工程酵母生產食物，都是在太空這個大舞臺上進行著未來食物的大膽實驗?？梢灶A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”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氪經授權發(fā)布。
