《COMPREHENSIVE REVIEWS IN FOOD SCIENCE AND FOOD SAFETY》：Personalization and Fortification of In-Space Manufactured Emulsified Beverages for Long-Term Space Travel
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当前个性化食品（营养成分和风味）的趋势对于在难以获取新鲜食品和多样化营养的隔离环境中支持人们的健康和福祉尤为重要。同时，生物活性化合物和微量营养素可用于应对特定环境带来的健康危害。外层空间因微重力、太空辐射和极端生存条件而众所周知地危险，而食品单调在过去已导致
当前个性化食品（营养成分和风味）的趋势对于在难以获取新鲜食品和多样化营养的隔离环境中支持人们的健康和福祉尤为重要。同时，生物活性化合物和微量营养素可用于应对特定环境带来的健康危害。外层空间因微重力、太空辐射和极端生存条件而众所周知地危险，而食品单调在过去已导致热量摄入不足。研究人员提出将当前的强化和个性化趋势应用于新型太空食品系统，以支持宇航员健康并增加食品选择。饮料作为食品基质允许直接调整其组成，而饮料乳液作为配方策略允许包封疏水性成分。这篇文献综述概述了地球上的食品和饮料强化、当前和开发中的太空食品系统、可能通过营养/补充剂减轻的常见太空健康风险，以及可能适合饮料强化的生物活性化合物。最后，提出了一种工艺概念，能够实现未来太空旅行中饮料的在轨制造。
1 Introduction
论文首先指出，近期空间研究和现代技术进展将支持近未来的深空项目，无论是月球轨道空间站还是首次载人火星任务，宇航员将面临比国际空间站（ISS）通常6个月更长的任务时间。当前太空任务对身心要求已经很高，延长任务时间对维持宇航员健康构成更大挑战。历史上，太空机构难以提供充足饮食，导致宇航员体重下降1%–5%，原因包括食品适口性差、选择少和时间不足。目前ISS食品系统几乎全部为地球携带的预包装长保质期食品，仅少数太空种植实验和补给船带来少量新鲜食品。对于为期3年的火星任务，携带全部食品不可行，且5年保质期要求目前无法实现。因此，新型太空食品系统必须包含可再生组分，同时需在设计初就考虑适口性和可接受性。理想的系统应提供近乎无限的选择，而当前宇航员仅能选择约20%的食品。本文提出采用类似3D食品打印的在轨制造概念，应用于个性化饮料，因为饮料基质更简单，且液体加工经验可复用。综述还回顾了地球饮料行业的强化和个人化趋势，并探讨如何通过饮料乳剂包封疏水性功能成分，以应对太空健康风险。
2 Space Health Risks
2.1 Loss of Muscle and Bone
微重力导致骨骼肌萎缩，尤其下肢明显，女性肌肉损失可能更强。骨骼因机械负荷减少而吸收加快，钙吸收降低，导致每天约250 mg骨钙流失。有效的对抗措施是抗阻运动结合有氧运动，目前宇航员每周6天训练1.5–2小时。运动可刺激骨形成，但不能阻止骨吸收，维持净骨密度稳定。适当训练和充足营养（尤其维生素D）对维持身体成分重要。
2.2 Cell and DNA Damage
太空旅行中氧化应激和硝化应激增加，加上宇宙辐射，导致细胞和DNA损伤，可引发细胞死亡、萎缩、炎症和癌症。活性氧（ROS）和活性氮（RNS）在正常代谢中产生并受抗氧化系统调控，但环境应激或抗氧化不足时造成损伤。在宇航员中已发现微重力和辐射增加ROS和RNS。地球磁场和大气层阻挡大部分电离辐射，但深空中银河宇宙射线（GCRs）持续存在，主要由质子（85%）、氦核（12%）及高能高电荷粒子（HZE，1%）组成。ISS位于低地球轨道，仍受一定保护，但宇航员日辐射剂量约0.7 mSv。月地转移空间辐射更高，三年火星任务累积剂量可能超过1 Sv，而多数机构设定生涯辐射限值为1 Sv。长期GCR暴露影响尚未充分研究，可能带来未知健康后果。
2.3 Space Anorexia
太空厌食指宇航员在太空中的食物摄入低于任务推荐量。研究发现，宇航员能量摄入比推荐量低约20%，有时甚至30%以上。体重平均下降1%–5%，个别高达15%。摄入不足导致体蛋白分解和合成减少，加剧微重力引起的肌肉流失，并可能造成微量营养素缺乏。Skylab任务中宇航员在规定饮食下仍失去瘦体重，但脂肪保留，表明单纯等热量饮食不能维持总体重，需结合运动。太空厌食原因尚不明确，可能与昼夜节律改变、睡眠不足、核心体温升高、食品制备时间过长、太空晕动症以及食品适口性和菜单疲劳有关。近年通过改进饮食环境、增加食物多样性和锻炼方案，ISS乘组能量摄入已超过90%推荐量，维持了体重。但长期任务的新型食品系统仍可能引发类似问题。
3 Space Foods and Space Nutrition
3.1 Flavor Perception in Space
风味感知包括味觉和嗅觉，极具个体差异性，受健康状态、年龄、性别、种族、遗传和味觉表型影响。嗅觉障碍影响约20%人群。太空中的风味感知研究尚无定论，早期研究未发现味觉阈值变化，但乘组汇报常提及感知改变。两种可能机制：一是微重力导致体液转移，头部液体积聚引起鼻塞，影响嗅觉；二是飞船环境和封闭生活，如循环水微量污染物、空气流动改变、噪声水平升高、社会隔离和压力等，可能影响风味感知。
3.2 Current Space Food System
太空能量需求与地面相当（0g与1g相似），但运动增加时可能更高。推荐能量摄入需个体化估算，宏量营养素比例为碳水化合物50%–55%、脂肪25%–35%、蛋白质0.8 g/kg体重。当前食品系统全部为地球预包装食品，需满足安全、稳定、适口、营养、可靠、多样、易用和资源高效等要求。食品保质期需达18个月（常温）。常用处理方式包括热稳定、辐照和脱水。饮料均为脱水粉末形式。食品选择中宇航员仅能选择约20%，菜单周期16天。新鲜果蔬仅少量供应，主要用于心理支持。
3.3 Current Strategy of Supplementing Nutrients in Space Exploration
目前唯一常规补充的营养素是维生素D，因空间缺乏紫外线B（UVB），且富含维生素D3的食物不易获得。ISS任务每日补充800国际单位（20 μg/天），探索任务为1000国际单位（25 μg/天）。除维生素D外，NASA不推荐其他补充剂，因为天然食物具有复杂组成和健康效应，补充剂不能替代食物。只有营养素无法通过食物充分提供，或补充剂具有明确健康益处时，才考虑补充。
3.4 Novel Space Food Systems
长期任务（如火星往返2.5–3年）要求食品保质期5年，当前系统无法满足。新型系统需结合预包装食品和再生物系统（再生系统）。空间农业（space farming）已在ISS上应用，如Veggie和先进植物栖息地（APH），未来将扩大规模。浮萍、垂直农业、水培和鱼菜共生等被研究。微生物（酵母、藻类、螺旋藻）可利用废物，生长快，如MELiSSA循环生命支持系统。昆虫（如蚕）也能利用废料并提供营养。此外，法国航天局正开发食品处理器，但公开资料有限。模拟任务表明，完全自主食物选择可能导致营养缺乏，因此需要地面支持。商业公司也参与太空食品创新，如益生菌、ISSpresso浓缩咖啡机、太空啤酒和烘焙等。
4 Suggested Technology for In-Space Manufacturing of Fortified, Personalized Beverages
4.1 Advances in the Terrestrial Nonalcoholic Beverage Industry
非酒精饮料在全球广受欢迎，并具有创新历史。近期趋势包括低热量产品、强化和功能饮料，以及个性化定制。益生菌饮料、植物基乳品替代品、运动饮料和能量饮料是商业实例。但高糖或酸性成分可能带来健康风险。大型饮料公司如可口可乐Freestyle和百事Spire通过高浓缩风味配方稀释实现个性化。
4.2 Proposed Process Concept
提出一种“积木式”系统：疏水性化合物（生物活性分子和香气化合物）溶于载体油和表面活性剂中形成亲脂性模块；亲水性化合物（甜味剂、有机酸）溶于水形成亲水模块。通过多端口阀进料至微流控混合器，形成乳剂。可使用光谱法或动态光散射进行质量控制，并由中央计算单元控制。未来可集成个人生物标志物，实现实时营养调整，并利用再生资源生产生物活性物。
4.3 Beverage Emulsions
饮料乳剂是高稀释的水包油（o/w）乳剂，油相通常≤0.1 wt%。根据功能分为云状乳剂、风味乳剂和强化乳剂。云状乳剂提供浑浊外观，风味乳剂包封疏水风味油，强化乳剂包封生物活性化合物以保护其免受降解并提高生物利用度。乳剂是热力学不稳定系统，不稳定机制包括分层、絮凝、聚结和奥斯特瓦尔德熟化。纳米乳剂（液滴<200 nm）比重合乳剂（>200 nm）更稳定，且能提高包封生物活性物的吸收。
4.4 Emulsification Process
高能乳化过程（高压均质、超声、微流化）能耗高、设备大，且可能降解热敏化合物，不适合太空。低能乳化过程利用表面活性剂相行为驱动成滴，能耗低，但有成分限制（需合成表面活性剂，可能需助溶剂）。相转化法（PIT/EIP）涉及温度或组成变化，且需至少两步。自发乳化是单步过程：表面活性剂先溶于油相，接触水相后扩散至界面并携带油滴形成乳剂。采用中链甘油三酯和聚山梨酯80可在适当比例下形成约100 nm液滴，但表面活性剂浓度需降低至法规允许范围。
4.5 Process Considerations
考虑年产约720 L饮料（6人×330 mL/天），批量过程简单但自动化程度低、清洗频繁且产物质量不稳定，不适合太空。连续过程易于自动化，但缺乏灵活性。可采用多产品连续过程（campaign manufacturing）和模块化设计，以一套设备生产不同配方的饮料，清洗周期可减少废水产生。微流控反应器（通道直径1 μm–1 mm）具有层流可控、传质高效、表面积大等优点，适合小规模在轨制造。
4.6 Fluid Manipulation
微重力下无浮力驱动自然对流，但毛细流动可在更大通道内持续，减少泵需求。微流控设备利用粘性力和表面张力主导流体行为，可精确控制液滴尺寸。已有微流控连续生产厂用于多种颜色墨水的案例，相比批量过程可减少1000倍废水。模块化设计配合3D打印可实现易损模块的即时代换。
4.7 Functional Foods and Food Fortification
功能食品须至少满足一项健康声明：降低非传染性疾病风险或促进特定身体系统最佳性能。强化食品通过添加益生菌、微量营养素和生物活性化合物实现。益生菌是活微生物，微量营养素（维生素和矿物质）为必需，生物活性化合物（又称植物化学物质）非必需但可能有益。饮料适合作为强化载体。
4.8 Identifying Micronutrients and Bioactive Compounds Suitable for Beverage Fortification
4.8.1 Micronutrients
微量营养素中仅维生素A、D、E、K为亲脂性。目前仅维生素D因太空食物无法维持水平而适合补充。维生素D增加肠道钙磷吸收，缺乏会加重复微重力骨丢失。维生素D2（麦角钙化醇）和D3（胆钙化醇）均可，D3效价更高。但D2可由蘑菇或酵母经UVB生成，未来可在太空生产。将维生素D3包封于纳米乳剂可提高生物利用度，水果汁和全乳基质比脱脂乳更有利。
4.8.2 Bioactive Compounds
生物活性化合物包括类胡萝卜素、多酚、褪黑素和中链甘油三酯等。针对太空健康风险，ω-3多不饱和脂肪酸（omega-3 PUFAs）具有减少骨吸收、抗炎、抗氧化、刺激食欲等潜力，但已有床休息研究结果混合。抗氧化剂（维生素E、β-胡萝卜素等）被考虑用于对抗辐射，但某些补充剂可能增加死亡率，尚无明确结论。植物化学物质（如姜黄素、白藜芦醇）有前景但需更多研究。鱼油补充在癌症患者中显示可增加食欲和热量摄入。ω-3脂肪酸可包封于纳米乳剂中，但需注意其氧化稳定性。目前长期稳定性研究不足。
5 Conclusions
长期任务食品系统仍待发展。个性化与强化是可行的改进方向。饮料纳米乳剂可提供疏水性生物活性物的递送，并提高生物利用度。结合低能自发乳化与微流控多产品连续制造，可实现高效、资源节约的在轨饮料生产，减少食品单调并支持宇航员健康。
