美國(guó)航空航天署食品標(biāo)準(zhǔn)化的經(jīng)驗(yàn)

美國(guó)航空航天署食品標(biāo)準(zhǔn)化的經(jīng)驗(yàn)

到目前為止，中國(guó)已經(jīng)兩次飛了太空人員。2003年，在太空五號(hào)之后，一名員工在21小時(shí)內(nèi)飛。記者們立即吃了食物，沒(méi)有水和熱量。2005年，在艦隊(duì)6號(hào)的戰(zhàn)斗中，兩人分別飛行了115.5小時(shí)。國(guó)外約50種食品，包括4個(gè)主食、“鮑魚(yú)”、“水煮土”等食品和水果。隨著我國(guó)航天工業(yè)的發(fā)展,今后會(huì)有更多更長(zhǎng)時(shí)間的太空活動(dòng),在眾多的保障系統(tǒng)中,食品系統(tǒng)直接關(guān)系到航天員的生命質(zhì)量。美國(guó)實(shí)施載人航天計(jì)劃較早時(shí)間較長(zhǎng),有豐富的經(jīng)驗(yàn),這里對(duì)其航天食品系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。其設(shè)計(jì)思想也可供登山、極地探險(xiǎn)甚至旅游食品工業(yè)參考。1前食品系統(tǒng)1.1管裝食物和混合食物食物1958年實(shí)施的水星計(jì)劃中有2次軌道飛行和3次亞軌道飛行,飛行時(shí)間達(dá)34小時(shí),亞軌道飛行中沒(méi)有攜帶食物。美國(guó)宇航員JohnGlenn是第一個(gè)在太空中吃飯的美國(guó)人,當(dāng)時(shí)直接從鋁管中吃的蘋果醬。雖然當(dāng)初的設(shè)計(jì)滿足了吃飯的要求,也沒(méi)有污染太空倉(cāng),但是由于既看不見(jiàn)食物的形狀,又聞不到食物的味道,像往嘴里擠牙膏一樣吃東西,讓人感覺(jué)很不好,況且食物的質(zhì)構(gòu)受到管子大小和填充加工能力的影響。除了管裝食物外,水星計(jì)劃中還采用了塊狀食物,就是將高能量的蛋白質(zhì)混合物、糖、高熔點(diǎn)的脂肪及水果或堅(jiān)果壓成一口大小的方塊,這些食品仍然存在與管裝食物類似的問(wèn)題。雖然食物都是從常見(jiàn)的、熟悉的食品來(lái)的,如將甜點(diǎn)心壓成糖塊,但是加工的工程食品沒(méi)有熟悉的食品質(zhì)構(gòu)和口感。盡管在飛行前的試驗(yàn)中這些塊狀食品用得很普遍,但是飛行后還是有很多未食用的食物被退了回去。另一種形式是凍干粉,但是這種形式也有不足,其復(fù)水性較差,食物的粉末容易污染儀器。水星計(jì)劃中航天員們共同的感受就是提供的食物引不起食欲,這一階段食物研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是高能量、高營(yíng)養(yǎng)和美味。因?yàn)槿蝿?wù)的時(shí)間短,在航空器上沒(méi)有專門的食物貯存供應(yīng)。1.2食品的安全性1965～1966年雙子座執(zhí)行了10次任務(wù),2個(gè)航天員飛行最多達(dá)14天,該計(jì)劃中的食品系統(tǒng)包括配方和包裝設(shè)計(jì)。食譜為每人提供2500千卡的能量,但是重量和體積是限定的,因而重點(diǎn)是濃縮食品。開(kāi)發(fā)了食品和食品包裝的規(guī)格和檢驗(yàn)程序以最大限度保證食品的安全性,要求食品既符合航空器的要求,又滿足營(yíng)養(yǎng)、感觀和微生物的要求,是目前世界范圍通用的危害分析和關(guān)鍵控制點(diǎn)(HACCP)系統(tǒng)的開(kāi)始。開(kāi)發(fā)了能夠承受太空飛行嚴(yán)酷條件的高度阻斷水蒸氣和氧氣的包裝,航天員吃的仍然是一口大小的或是從管子中擠出的食品,但是飛行中食用還是不合適,宇航員的體重也減輕了。1.3小體積、小流程、小程序最初的阿波羅食品系統(tǒng)與雙子座食品系統(tǒng)非常相似,但是在任務(wù)的后期,品種的多樣化和質(zhì)量的改善成為主要的設(shè)計(jì)因素。在阿波羅計(jì)劃初期,開(kāi)發(fā)了“小勺+碗”的包裝以解決直接由包裝到嘴的進(jìn)食方式問(wèn)題。將水由一單一通道的入口加入,然后將包裝的頂端割開(kāi),再用小勺進(jìn)食。雖然這種方式與正常的程序相近,但是需要兩只手來(lái)完成:一只手端碗,另一只手拿小勺?！靶∩?碗”的方式一直在阿波羅、太空實(shí)驗(yàn)室、Apollo-Soyuz及最早的4個(gè)航天飛機(jī)上使用。在太空實(shí)驗(yàn)室中“小勺+碗”的方式只是在后期延長(zhǎng)的任務(wù)期間使用,其時(shí)輸送了額外的食品。雖然早期飛行中的食品系統(tǒng)有所改善并具有一定的優(yōu)點(diǎn),但是阿波羅宇航員中的大多數(shù)都沒(méi)有得到足夠的營(yíng)養(yǎng)素。很明顯,只有用熟悉的形式提供食物才能使消費(fèi)者得到合適的營(yíng)養(yǎng)。阿波羅計(jì)劃后期的任務(wù)中,通過(guò)使用可蒸煮袋和罐,對(duì)食品系統(tǒng)進(jìn)行了改良。熱蒸煮殺菌的食品,可以在常溫下保存很長(zhǎng)時(shí)間。阿波羅宇航員是最早在太空享用熱水的,熱水可使食品的復(fù)水更容易,也改善了食品的口感。也就在同一時(shí)期,宇航員可以用工具在一個(gè)開(kāi)放的容器中吃飯。當(dāng)時(shí)的食譜中加入了柔性包裝、熱穩(wěn)定化處理過(guò)的食品。阿波羅宇航員也是最早在空間食用輻照食品的人。為阿波羅開(kāi)發(fā)的惟一的產(chǎn)品是食品棒。這是為宇航員坐在座位上不需要用手進(jìn)食而設(shè)計(jì)的。食品棒包裝固定在嘴能接觸到的衣袖上,這種水果棒是由水果壓縮并用可食用淀粉膜包裝成的。1.4大氣優(yōu)壓技術(shù)—太空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃中的食品系統(tǒng)1973-1974年的太空實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃,對(duì)實(shí)驗(yàn)食品進(jìn)行了3個(gè)宇航員56天的密閉倉(cāng)實(shí)驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)食品和飛行中的食品進(jìn)行了37個(gè)營(yíng)養(yǎng)素的分析,確定了6個(gè)營(yíng)養(yǎng)素的專門指標(biāo),用于飛行前21天、飛行中和飛行后18天。1973年的食品系統(tǒng)是最可口的、變化最大的食品系統(tǒng),一直在太空中沿用至今,有72種食物供選擇,6天的食譜為一個(gè)循環(huán)。太空實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)太空任務(wù)中最早使用冷凍箱、冷藏箱和食品加熱器的。冷凍箱中有冰淇淋、魚(yú)片和龍蝦,冷藏箱中有冷飲和甜點(diǎn)。除了傳統(tǒng)的刀、叉和小勺外,還有用來(lái)剪塑料包裝的剪刀。與以前的航空器不同,太空實(shí)驗(yàn)室的內(nèi)部面積較大,有餐廳和桌子,3個(gè)宇航員可以圍“坐”在桌旁進(jìn)餐,餐桌上裝了帶有計(jì)時(shí)器的加熱器,可以制備食品,所以太空實(shí)驗(yàn)室中的宇航員得到了至今為止最好的營(yíng)養(yǎng)記錄。所有計(jì)劃中的食品都是第一次執(zhí)行任務(wù)時(shí)發(fā)射的,所以最后去的宇航員吃的是兩年前的食物。因而多數(shù)食品都是用鋁箔包裝的,貨價(jià)期達(dá)2年以上。需要加熱的和一些經(jīng)過(guò)熱穩(wěn)定化處理的食品裝在鋁罐中,鋁罐的蓋子下面有一層膜防止在加熱時(shí)泄漏以及在微重力場(chǎng)中便于打開(kāi)。所有的鋁罐都密封在能耐受地球表面到航空器中壓力變化(絕對(duì)壓力0.1～0.032MPa)的筒中。食品的質(zhì)量保質(zhì)期達(dá)2年,即使在任務(wù)初期由于一塊太陽(yáng)能板不能展開(kāi)而使艙內(nèi)溫度高達(dá)54℃的情況下。雖然高溫導(dǎo)致褐變,但食品仍可食用。最后兩次任務(wù)中補(bǔ)充了維生素以防止高溫的破壞。太空實(shí)驗(yàn)室4認(rèn)為由56天延長(zhǎng)到了84天,開(kāi)發(fā)的高能量棒,提供了大約延長(zhǎng)期內(nèi)所需能量的一半。2當(dāng)前的食品系統(tǒng)2.1航天集成教育產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)由于執(zhí)行任務(wù)時(shí)間短、沒(méi)有貯藏室,加之軌道器上沒(méi)有電力供應(yīng),所以1981年開(kāi)始至今的航天飛機(jī)上的食品系統(tǒng)又恢復(fù)到了沒(méi)有冷凍和冷藏箱的狀態(tài)。航天飛機(jī)上引入了采用餐盤上放容器的開(kāi)放式就餐的新概念。開(kāi)發(fā)了一種可復(fù)水的包裝,這種包裝可用餐盤進(jìn)餐,也克服了“小勺+碗”包裝超過(guò)30道工序制作步驟的問(wèn)題。帶有復(fù)水站和對(duì)流爐的廚房能夠保證冷熱水供應(yīng),可將食物加熱到合適的食用溫度。通過(guò)航天飛機(jī)計(jì)劃,食品的包裝操作變得簡(jiǎn)單和自動(dòng)?？蓮?fù)水和飲料包裝的改良減少了廢棄物的量,飲料包裝被用一種片狀箔包裝取代,可復(fù)水包裝被柔性包裝取代,兩種包裝都可以壓實(shí)。餐盤可以放在包裝中,帶有尼龍搭扣、磁鐵和開(kāi)啟器。航天飛機(jī)上用的食品有些是以前的航天計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的,但特別強(qiáng)調(diào)采用商業(yè)化的產(chǎn)品。采用商業(yè)化產(chǎn)品有利有弊,利在于不需進(jìn)行更多的開(kāi)發(fā),產(chǎn)品是宇航員熟悉的;弊則在于商業(yè)化產(chǎn)品在不作通知的情況下隨時(shí)變化,如配方會(huì)變,甚至不再生產(chǎn)。此外,商業(yè)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分如糖含量和鹽含量不能滿足推薦的要求。因?yàn)楹教祜w機(jī)的燃料電池提供副產(chǎn)品水,大約50%的食品包括飲料都經(jīng)過(guò)了脫水處理,根據(jù)產(chǎn)品的性質(zhì),食用前再加冷水或熱水。對(duì)不同的食品復(fù)水時(shí)的水量和時(shí)間是不同的,包裝上都有說(shuō)明標(biāo)簽。脫水后的食品有經(jīng)熱穩(wěn)定處理、輻照和自然形式,也有中等水分含量的食品。為了節(jié)省體積和重量,典型包裝在罐頭中的熱穩(wěn)定化處理的食品采用柔性包裝,電離輻射輻照的食品用同樣的柔性包裝袋。如果需要,這些食品可在強(qiáng)制通風(fēng)爐中加熱到需要的溫度;天然形式的食品(堅(jiān)果、麥片棒、小點(diǎn)心等)和中等水分的食品(水果干)也采用柔性包裝袋;中等水分的食品通過(guò)嚴(yán)格控制水分使其不利微生物生長(zhǎng);飲料做成粉狀在飲用前重新組配。短時(shí)間的任務(wù)和太空倉(cāng)0.1MPa的絕對(duì)壓力為食品包裝材料的屏蔽性質(zhì)和強(qiáng)度提供了一定的張弛,但是嚴(yán)格的可燃性和氣體隔離性質(zhì)要求仍需加強(qiáng)。航天飛機(jī)飛行中可選擇的食品數(shù)量比以前其他的任務(wù)中都多,在4次任務(wù)后,航天員選出了一個(gè)所有人都食用相同食物的食譜。STS-7任務(wù)后根據(jù)每個(gè)航天員的喜好對(duì)食譜計(jì)劃做了改變,該食譜計(jì)劃后來(lái)用于所有的航天飛行,變成了多數(shù)航天員任務(wù)準(zhǔn)備的重要部分之一,航天員可以從超過(guò)350種的食物中選擇他們喜歡的食譜。營(yíng)養(yǎng)學(xué)家對(duì)每一個(gè)食譜的營(yíng)養(yǎng)成分都進(jìn)行分析,并提出滿足營(yíng)養(yǎng)平衡的替代品。現(xiàn)在航天飛機(jī)上用的大多數(shù)食譜都能滿足營(yíng)養(yǎng)的要求,除了鐵和鈉的含量較高而纖維含量較低。不過(guò)在飛行中航天員有機(jī)會(huì)更換食物品種以及選擇快餐或額外的食物。因此實(shí)際飛行中的營(yíng)養(yǎng)并不反映飛行前設(shè)計(jì)的食譜真正的平衡營(yíng)養(yǎng)。表1是一個(gè)航天飛機(jī)食譜的例子。2.2國(guó)際私家車監(jiān)獄的固定型食品管理美國(guó)和俄羅斯合作最早的國(guó)際空間站米爾號(hào)(Mir)上,宇航員滯留從112天到188天。食物由兩國(guó)各出一半,做成餐份,貨價(jià)期超過(guò)9個(gè)月。米爾號(hào)廚房中有兩個(gè)食物加熱器,每個(gè)加熱器上有4個(gè)孔用于管子加熱,4個(gè)孔用于罐頭加熱,還有4個(gè)槽用于面包加熱。米爾號(hào)上的航天員并沒(méi)有對(duì)可復(fù)水的食品進(jìn)行加熱,因?yàn)闊崴臏囟戎槐群教炱鞯臏囟壬愿?80℃對(duì)76℃)。米爾號(hào)的加熱器可將食品加熱到65℃,但是航天飛機(jī)的食品包裝放不進(jìn)去。航天飛機(jī)的加熱器像箱子,在STS-76任務(wù)中裝在米爾號(hào)上,用于加熱航天飛機(jī)食品。在聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)時(shí)美俄協(xié)議使用相同的食譜,該食譜考慮航天員的評(píng)價(jià)、營(yíng)養(yǎng)要求和分析的數(shù)據(jù),除了鐵和鈉外,該食譜能滿足絕大部分的要求,但是品種有限。由航天飛機(jī)運(yùn)送的新鮮水果、蔬菜和小吃是對(duì)食譜的補(bǔ)充。食譜每6天一個(gè)循環(huán),每天分為A,B,C和D四餐,A和C兩餐由俄羅斯提供,B和D兩餐由美國(guó)提供。D餐實(shí)際上不是正餐,而是零食,任何時(shí)候都可用。俄羅斯設(shè)計(jì)的三餐為2500大卡和零食500大卡。空間站上使用太陽(yáng)能,沒(méi)有燃料電池,所以就沒(méi)有額外的水。空間站上的食品重點(diǎn)是在熱穩(wěn)定化處理方面,而不是航天飛機(jī)食品的可復(fù)水性方面?？臻g站的工作周期最少90天,多的超過(guò)188天?？臻g站的組成人員通常是3個(gè),分別來(lái)自美國(guó)和俄羅斯。在執(zhí)行任務(wù)前,航天員對(duì)提供的食譜進(jìn)行了評(píng)價(jià),以可接受性為基礎(chǔ),以滿足營(yíng)養(yǎng)要求為目標(biāo)進(jìn)行食譜的開(kāi)發(fā)。第一次和第二次探險(xiǎn)的食譜以6天為一個(gè)循環(huán),現(xiàn)在以8天為一個(gè)循環(huán),計(jì)劃改成10天一個(gè)循環(huán)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),采用像吃零食一樣隨吃隨取的方式為航天員喜歡的組織形式,將食物分類放置(如蔬菜、飲料和主菜),可以增加食譜選擇的自由度。表2是空間站食譜的例子。過(guò)期食品和其他垃圾由航空器運(yùn)回地球,進(jìn)入大氣層后燒毀。計(jì)劃在空間站居住艙的廚房中安裝冷凍箱和冷藏箱,并準(zhǔn)備了5種包裝尺寸,但安裝的時(shí)間表未確定。表2是一個(gè)國(guó)際空間站食譜的例子。因?yàn)閳?zhí)行任務(wù)時(shí)間長(zhǎng),能量攝入少,所以食品的可接受性非常重要。能量攝入減少可能嚴(yán)重危及宇航員的生命,要為宇航員提供大量品種的食物以供選擇。食品供給的不僅僅是營(yíng)養(yǎng),就餐時(shí)間也是主要的社交活動(dòng)。具有高度可接受性的食品能夠減小長(zhǎng)時(shí)間任務(wù)帶來(lái)的壓力。最初的食品系統(tǒng)將著重于航天器的應(yīng)用技術(shù),然后逐步轉(zhuǎn)到支持探險(xiǎn)活動(dòng)的技術(shù)方面去。食品系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有雙重任務(wù),一個(gè)是運(yùn)輸食品系統(tǒng),另一個(gè)是最初在月亮和行星表面逗留中的食品系統(tǒng)。這兩種食品系統(tǒng)的本質(zhì)不同,運(yùn)輸食品系統(tǒng)是在微重力下工作,月球/行星表面食品系統(tǒng)是在部分重力下工作,有更大的適應(yīng)性,更像在地球上的操作。食品系統(tǒng)一旦開(kāi)發(fā),隨后要連續(xù)考慮的問(wèn)題有空氣回收、水回收、生物量生產(chǎn)、固體廢料處理和熱控制系統(tǒng)的影響。其他生命支持系統(tǒng)必須與食品系統(tǒng)平衡,以保證長(zhǎng)期任務(wù)的完成。食品系統(tǒng)要考慮動(dòng)力、容積和水的現(xiàn)成性。3.2貨價(jià)期管理的必要性3.2.1預(yù)包裝食品系統(tǒng)運(yùn)輸食品系統(tǒng)中的食品大部分都是預(yù)先包裝好的,就像在飛船和國(guó)際空間站中食用的產(chǎn)品。此外,還要開(kāi)發(fā)與現(xiàn)有保藏手段不同的技術(shù),主要是延長(zhǎng)產(chǎn)品貨價(jià)期、改善可接受性以及改善營(yíng)養(yǎng)等品質(zhì)的技術(shù)。對(duì)于2.5年的任務(wù)來(lái)說(shuō),最大的挑戰(zhàn)是提供貨價(jià)期3～5年的可接受的食品,貨價(jià)期可定義為產(chǎn)品變質(zhì)的時(shí)間,顯然,食品安全是首要考慮問(wèn)題。此外,因?yàn)槭称废到y(tǒng)是為航天員提供營(yíng)養(yǎng)的惟一來(lái)源,營(yíng)養(yǎng)損失也決定貨價(jià)期終點(diǎn)。貨價(jià)期還受產(chǎn)品的外觀、質(zhì)構(gòu)和氣味決定。包裝系統(tǒng)還需考慮到與加工和貯藏條件、體積限制以及固體垃圾管理兼容,據(jù)估計(jì),食品包裝產(chǎn)生的廢物在運(yùn)輸過(guò)程中是主要的廢物。使用生物降解的、再生的或可食用的包裝材料可以減少固體垃圾的管理壓力。固體垃圾管理還受食用前丟棄的食品的數(shù)量影響,食品在整個(gè)任務(wù)完成期間保持貨價(jià)期(安全和可接受性)非常重要。3.2.2色拉植物新鮮食用的色拉植物也可用于運(yùn)輸器中,這些新鮮蔬菜植物將是在行星表面種植的植物,因?yàn)樗鼈儾恍枰嗟募庸??？梢钥紤]的蔬菜作物有胡蘿卜、生菜、蘿卜、菠菜、甜菜、包菜和洋蔥。這些作物可提供不同的菜單、質(zhì)構(gòu)和顏色,對(duì)航天員的心理有益。3.3其他食品系統(tǒng)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,早期可使用貯藏食品和色拉植物,隨著任務(wù)期的延長(zhǎng),系統(tǒng)分析說(shuō)明色拉植物應(yīng)該在永久基地種植,并作為食譜的基本配料。一旦行星表面基地建成,植物可進(jìn)行液體培養(yǎng)。隨著植物種類增加,一些預(yù)包裝的成分將被取而代之。這些植物不僅僅是食物源,也提供氧氣和二氧化碳的生物再生。建議的植物有土豆、甘薯、小麥、大豆、花生和稻谷等。食品系統(tǒng)將最大限度地利用生長(zhǎng)的植物,專門設(shè)計(jì)加工程序和配置設(shè)備?？捎糜诩庸さ淖魑镉旭R鈴薯,包括煮馬鈴薯,馬鈴薯淀粉,馬鈴薯糖漿;小麥,包括小麥粉,小麥淀粉,面筋,seitan,面包,意大利面條;大豆,包括大豆粉,豆腐,天陪,豆乳,乳清,豆腐渣,豆油;大米,包括米飯,米乳,米粉;西紅柿,包括西紅柿醬,西紅柿汁;花生,包括花生黃油,花生油,花生粉。食品系統(tǒng)還要兼顧植物品種和航天員就餐平衡的要求,希望植物有所變化(質(zhì)量、產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)素含量)。收獲的可用部分較少將意味著提供的食物數(shù)量少和航天員攝入的營(yíng)養(yǎng)素不足,而且會(huì)增加固體垃圾的數(shù)量。為了保證有效地利用植物,需要開(kāi)發(fā)組分功能性的預(yù)測(cè)方法,進(jìn)而對(duì)食品的制作步驟也要作相應(yīng)的改進(jìn)。食品系統(tǒng)還要不斷考慮其他生命支持系統(tǒng)的影響,因?yàn)樗械乃急仨氀h(huán)使用,設(shè)備要設(shè)計(jì)成食品加工過(guò)程中用水量最小的形式。如果現(xiàn)有設(shè)備無(wú)法改造,就要重新設(shè)計(jì)。另外,食品加工設(shè)備必須容易清洗,以保證用水量和產(chǎn)生的廢水量都最少。為了保證體積和質(zhì)量都最小,要開(kāi)發(fā)多用途的食品加工設(shè)備。例子之一