美国航空航天署食品标准化的经验

美国航空航天署食品标准化的经验

到目前为止，中国已经两次飞了太空人员。2003年，在太空五号之后，一名员工在21小时内飞。记者们立即吃了食物，没有水和热量。2005年，在舰队6号的战斗中，两人分别飞行了115.5小时。国外约50种食品，包括4个主食、“鲍鱼”、“水煮土”等食品和水果。随着我国航天工业的发展,今后会有更多更长时间的太空活动,在众多的保障系统中,食品系统直接关系到航天员的生命质量。美国实施载人航天计划较早时间较长,有丰富的经验,这里对其航天食品系统的发展过程进行简单的介绍。其设计思想也可供登山、极地探险甚至旅游食品工业参考。1前食品系统1.1管装食物和混合食物食物1958年实施的水星计划中有2次轨道飞行和3次亚轨道飞行,飞行时间达34小时,亚轨道飞行中没有携带食物。美国宇航员JohnGlenn是第一个在太空中吃饭的美国人,当时直接从铝管中吃的苹果酱。虽然当初的设计满足了吃饭的要求,也没有污染太空仓,但是由于既看不见食物的形状,又闻不到食物的味道,像往嘴里挤牙膏一样吃东西,让人感觉很不好,况且食物的质构受到管子大小和填充加工能力的影响。除了管装食物外,水星计划中还采用了块状食物,就是将高能量的蛋白质混合物、糖、高熔点的脂肪及水果或坚果压成一口大小的方块,这些食品仍然存在与管装食物类似的问题。虽然食物都是从常见的、熟悉的食品来的,如将甜点心压成糖块,但是加工的工程食品没有熟悉的食品质构和口感。尽管在飞行前的试验中这些块状食品用得很普遍,但是飞行后还是有很多未食用的食物被退了回去。另一种形式是冻干粉,但是这种形式也有不足,其复水性较差,食物的粉末容易污染仪器。水星计划中航天员们共同的感受就是提供的食物引不起食欲,这一阶段食物研究和开发的重点是高能量、高营养和美味。因为任务的时间短,在航空器上没有专门的食物贮存供应。1.2食品的安全性1965～1966年双子座执行了10次任务,2个航天员飞行最多达14天,该计划中的食品系统包括配方和包装设计。食谱为每人提供2500千卡的能量,但是重量和体积是限定的,因而重点是浓缩食品。开发了食品和食品包装的规格和检验程序以最大限度保证食品的安全性,要求食品既符合航空器的要求,又满足营养、感观和微生物的要求,是目前世界范围通用的危害分析和关键控制点(HACCP)系统的开始。开发了能够承受太空飞行严酷条件的高度阻断水蒸气和氧气的包装,航天员吃的仍然是一口大小的或是从管子中挤出的食品,但是飞行中食用还是不合适,宇航员的体重也减轻了。1.3小体积、小流程、小程序最初的阿波罗食品系统与双子座食品系统非常相似,但是在任务的后期,品种的多样化和质量的改善成为主要的设计因素。在阿波罗计划初期,开发了“小勺+碗”的包装以解决直接由包装到嘴的进食方式问题。将水由一单一通道的入口加入,然后将包装的顶端割开,再用小勺进食。虽然这种方式与正常的程序相近,但是需要两只手来完成:一只手端碗,另一只手拿小勺。“小勺+碗”的方式一直在阿波罗、太空实验室、Apollo-Soyuz及最早的4个航天飞机上使用。在太空实验室中“小勺+碗”的方式只是在后期延长的任务期间使用,其时输送了额外的食品。虽然早期飞行中的食品系统有所改善并具有一定的优点,但是阿波罗宇航员中的大多数都没有得到足够的营养素。很明显,只有用熟悉的形式提供食物才能使消费者得到合适的营养。阿波罗计划后期的任务中,通过使用可蒸煮袋和罐,对食品系统进行了改良。热蒸煮杀菌的食品,可以在常温下保存很长时间。阿波罗宇航员是最早在太空享用热水的,热水可使食品的复水更容易,也改善了食品的口感。也就在同一时期,宇航员可以用工具在一个开放的容器中吃饭。当时的食谱中加入了柔性包装、热稳定化处理过的食品。阿波罗宇航员也是最早在空间食用辐照食品的人。为阿波罗开发的惟一的产品是食品棒。这是为宇航员坐在座位上不需要用手进食而设计的。食品棒包装固定在嘴能接触到的衣袖上,这种水果棒是由水果压缩并用可食用淀粉膜包装成的。1.4大气优压技术—太空实验室计划中的食品系统1973-1974年的太空实验室计划,对实验食品进行了3个宇航员56天的密闭仓实验。对试验食品和飞行中的食品进行了37个营养素的分析,确定了6个营养素的专门指标,用于飞行前21天、飞行中和飞行后18天。1973年的食品系统是最可口的、变化最大的食品系统,一直在太空中沿用至今,有72种食物供选择,6天的食谱为一个循环。太空实验室是美国太空任务中最早使用冷冻箱、冷藏箱和食品加热器的。冷冻箱中有冰淇淋、鱼片和龙虾,冷藏箱中有冷饮和甜点。除了传统的刀、叉和小勺外,还有用来剪塑料包装的剪刀。与以前的航空器不同,太空实验室的内部面积较大,有餐厅和桌子,3个宇航员可以围“坐”在桌旁进餐,餐桌上装了带有计时器的加热器,可以制备食品,所以太空实验室中的宇航员得到了至今为止最好的营养记录。所有计划中的食品都是第一次执行任务时发射的,所以最后去的宇航员吃的是两年前的食物。因而多数食品都是用铝箔包装的,货价期达2年以上。需要加热的和一些经过热稳定化处理的食品装在铝罐中,铝罐的盖子下面有一层膜防止在加热时泄漏以及在微重力场中便于打开。所有的铝罐都密封在能耐受地球表面到航空器中压力变化(绝对压力0.1～0.032MPa)的筒中。食品的质量保质期达2年,即使在任务初期由于一块太阳能板不能展开而使舱内温度高达54℃的情况下。虽然高温导致褐变,但食品仍可食用。最后两次任务中补充了维生素以防止高温的破坏。太空实验室4认为由56天延长到了84天,开发的高能量棒,提供了大约延长期内所需能量的一半。2当前的食品系统2.1航天集成教育产品的开发由于执行任务时间短、没有贮藏室,加之轨道器上没有电力供应,所以1981年开始至今的航天飞机上的食品系统又恢复到了没有冷冻和冷藏箱的状态。航天飞机上引入了采用餐盘上放容器的开放式就餐的新概念。开发了一种可复水的包装,这种包装可用餐盘进餐,也克服了“小勺+碗”包装超过30道工序制作步骤的问题。带有复水站和对流炉的厨房能够保证冷热水供应,可将食物加热到合适的食用温度。通过航天飞机计划,食品的包装操作变得简单和自动。可复水和饮料包装的改良减少了废弃物的量,饮料包装被用一种片状箔包装取代,可复水包装被柔性包装取代,两种包装都可以压实。餐盘可以放在包装中,带有尼龙搭扣、磁铁和开启器。航天飞机上用的食品有些是以前的航天计划中开发的,但特别强调采用商业化的产品。采用商业化产品有利有弊,利在于不需进行更多的开发,产品是宇航员熟悉的;弊则在于商业化产品在不作通知的情况下随时变化,如配方会变,甚至不再生产。此外,商业产品的营养成分如糖含量和盐含量不能满足推荐的要求。因为航天飞机的燃料电池提供副产品水,大约50%的食品包括饮料都经过了脱水处理,根据产品的性质,食用前再加冷水或热水。对不同的食品复水时的水量和时间是不同的,包装上都有说明标签。脱水后的食品有经热稳定处理、辐照和自然形式,也有中等水分含量的食品。为了节省体积和重量,典型包装在罐头中的热稳定化处理的食品采用柔性包装,电离辐射辐照的食品用同样的柔性包装袋。如果需要,这些食品可在强制通风炉中加热到需要的温度;天然形式的食品(坚果、麦片棒、小点心等)和中等水分的食品(水果干)也采用柔性包装袋;中等水分的食品通过严格控制水分使其不利微生物生长;饮料做成粉状在饮用前重新组配。短时间的任务和太空仓0.1MPa的绝对压力为食品包装材料的屏蔽性质和强度提供了一定的张弛,但是严格的可燃性和气体隔离性质要求仍需加强。航天飞机飞行中可选择的食品数量比以前其他的任务中都多,在4次任务后,航天员选出了一个所有人都食用相同食物的食谱。STS-7任务后根据每个航天员的喜好对食谱计划做了改变,该食谱计划后来用于所有的航天飞行,变成了多数航天员任务准备的重要部分之一,航天员可以从超过350种的食物中选择他们喜欢的食谱。营养学家对每一个食谱的营养成分都进行分析,并提出满足营养平衡的替代品。现在航天飞机上用的大多数食谱都能满足营养的要求,除了铁和钠的含量较高而纤维含量较低。不过在飞行中航天员有机会更换食物品种以及选择快餐或额外的食物。因此实际飞行中的营养并不反映飞行前设计的食谱真正的平衡营养。表1是一个航天飞机食谱的例子。2.2国际私家车监狱的固定型食品管理美国和俄罗斯合作最早的国际空间站米尔号(Mir)上,宇航员滞留从112天到188天。食物由两国各出一半,做成餐份,货价期超过9个月。米尔号厨房中有两个食物加热器,每个加热器上有4个孔用于管子加热,4个孔用于罐头加热,还有4个槽用于面包加热。米尔号上的航天员并没有对可复水的食品进行加热,因为热水的温度只比航天器的温度稍高(80℃对76℃)。米尔号的加热器可将食品加热到65℃,但是航天飞机的食品包装放不进去。航天飞机的加热器像箱子,在STS-76任务中装在米尔号上,用于加热航天飞机食品。在联合执行任务时美俄协议使用相同的食谱,该食谱考虑航天员的评价、营养要求和分析的数据,除了铁和钠外,该食谱能满足绝大部分的要求,但是品种有限。由航天飞机运送的新鲜水果、蔬菜和小吃是对食谱的补充。食谱每6天一个循环,每天分为A,B,C和D四餐,A和C两餐由俄罗斯提供,B和D两餐由美国提供。D餐实际上不是正餐,而是零食,任何时候都可用。俄罗斯设计的三餐为2500大卡和零食500大卡。空间站上使用太阳能,没有燃料电池,所以就没有额外的水。空间站上的食品重点是在热稳定化处理方面,而不是航天飞机食品的可复水性方面。空间站的工作周期最少90天,多的超过188天。空间站的组成人员通常是3个,分别来自美国和俄罗斯。在执行任务前,航天员对提供的食谱进行了评价,以可接受性为基础,以满足营养要求为目标进行食谱的开发。第一次和第二次探险的食谱以6天为一个循环,现在以8天为一个循环,计划改成10天一个循环。调查发现,采用像吃零食一样随吃随取的方式为航天员喜欢的组织形式,将食物分类放置(如蔬菜、饮料和主菜),可以增加食谱选择的自由度。表2是空间站食谱的例子。过期食品和其他垃圾由航空器运回地球,进入大气层后烧毁。计划在空间站居住舱的厨房中安装冷冻箱和冷藏箱,并准备了5种包装尺寸,但安装的时间表未确定。表2是一个国际空间站食谱的例子。因为执行任务时间长,能量摄入少,所以食品的可接受性非常重要。能量摄入减少可能严重危及宇航员的生命,要为宇航员提供大量品种的食物以供选择。食品供给的不仅仅是营养,就餐时间也是主要的社交活动。具有高度可接受性的食品能够减小长时间任务带来的压力。最初的食品系统将着重于航天器的应用技术,然后逐步转到支持探险活动的技术方面去。食品系统的开发具有双重任务,一个是运输食品系统,另一个是最初在月亮和行星表面逗留中的食品系统。这两种食品系统的本质不同,运输食品系统是在微重力下工作,月球/行星表面食品系统是在部分重力下工作,有更大的适应性,更像在地球上的操作。食品系统一旦开发,随后要连续考虑的问题有空气回收、水回收、生物量生产、固体废料处理和热控制系统的影响。其他生命支持系统必须与食品系统平衡,以保证长期任务的完成。食品系统要考虑动力、容积和水的现成性。3.2货价期管理的必要性3.2.1预包装食品系统运输食品系统中的食品大部分都是预先包装好的,就像在飞船和国际空间站中食用的产品。此外,还要开发与现有保藏手段不同的技术,主要是延长产品货价期、改善可接受性以及改善营养等品质的技术。对于2.5年的任务来说,最大的挑战是提供货价期3～5年的可接受的食品,货价期可定义为产品变质的时间,显然,食品安全是首要考虑问题。此外,因为食品系统是为航天员提供营养的惟一来源,营养损失也决定货价期终点。货价期还受产品的外观、质构和气味决定。包装系统还需考虑到与加工和贮藏条件、体积限制以及固体垃圾管理兼容,据估计,食品包装产生的废物在运输过程中是主要的废物。使用生物降解的、再生的或可食用的包装材料可以减少固体垃圾的管理压力。固体垃圾管理还受食用前丢弃的食品的数量影响,食品在整个任务完成期间保持货价期(安全和可接受性)非常重要。3.2.2色拉植物新鲜食用的色拉植物也可用于运输器中,这些新鲜蔬菜植物将是在行星表面种植的植物,因为它们不需要太多的加工。可以考虑的蔬菜作物有胡萝卜、生菜、萝卜、菠菜、甜菜、包菜和洋葱。这些作物可提供不同的菜单、质构和颜色,对航天员的心理有益。3.3其他食品系统3.3.1植物加工在建立永久的生活基地之前,需在月球和行星表面逗留,早期可使用贮藏食品和色拉植物,随着任务期的延长,系统分析说明色拉植物应该在永久基地种植,并作为食谱的基本配料。一旦行星表面基地建成,植物可进行液体培养。随着植物种类增加,一些预包装的成分将被取而代之。这些植物不仅仅是食物源,也提供氧气和二氧化碳的生物再生。建议的植物有土豆、甘薯、小麦、大豆、花生和稻谷等。食品系统将最大限度地利用生长的植物,专门设计加工程序和配置设备。可用于加工的作物有马铃薯,包括煮马铃薯,马铃薯淀粉,马铃薯糖浆;小麦,包括小麦粉,小麦淀粉,面筋,seitan,面包,意大利面条;大豆,包括大豆粉,豆腐,天陪,豆乳,乳清,豆腐渣,豆油;大米,包括米饭,米乳,米粉;西红柿,包括西红柿酱,西红柿汁;花生,包括花生黄油,花生油,花生粉。食品系统还要兼顾植物品种和航天员就餐平衡的要求,希望植物有所变化(质量、产量和营养素含量)。收获的可用部分较少将意味着提供的食物数量少和航天员摄入的营养素不足,而且会增加固体垃圾的数量。为了保证有效地利用植物,需要开发组分功能性的预测方法,进而对食品的制作步骤也要作相应的改进。食品系统还要不断考虑其他生命支持系统的影响,因为所有的水都必须循环使用,设备要设计成食品加工过程中用水量最小的形式。如果现有设备无法改造,就要重新设计。另外,食品加工设备必须容易清洗,以保证用水量和产生的废水量都最少。为了保证体积和质量都最小,要开发多用途的食品加工设备。例子之一