0 引 言
航天食品不仅要满足基本的营养需求并保证安全可口，还需要考虑太空环境和特殊限制和要求。这些食品必须质量轻，便于在微重力环境中加工和食用[9]。在太空飞行任务时，食物是生命支持系统的重要组成部分，航天员需要摄入足够的食物以满足人体所需的营养，并减少太空环境对身体的不利影响[10]。食品对航天员的一切探索行为至关重要，而太空的极端环境对食品的质量和安全提出了严峻挑战。随着太空飞行时间的延长，食品可能会出现营养不足、热量供应不足、潜在毒性及保存困难等问题[11]。食品的保质期受到多种因素的综合影响，包括质量下降、营养流失和细菌生长。其中，质地、颜色和香气的变化反映了食品质量的下降，而蛋白质和维生素的减少则是由细菌降解引起的营养退化和食物变质的一部分[12]。
从营养学角度来看，太空食品通常具有较低的纤维和脂肪比例，以及较高的碳水化合物含量，而蛋白质含量与普通食品相似[13]。太空食品中微量元素的摄入量需要严格保持平衡。例如，钙的摄入水平若过低会导致钙流失；而过高则可能引发肾结石[14-15]。铁的需求在太空中相对较低，但铁水平过低会影响血细胞生成，过高则可能导致头晕、中毒、呼吸急促和头痛等多种健康问题，甚至还会阻碍锌的摄入，进而引起肝损伤、关节炎和心脏问题[16]。此外，碘过量导致的毒性比碘缺乏带来的危害更为严重，因此需要严格把控食物中的碘含量[17]。太空辐射会对食品中的营养成分造成损害，尤其是B族维生素、维生素A、β-胡萝卜素、维生素C和维生素E等抗氧化剂。这些营养素的受损可能导致脂质过氧化、DNA突变及蛋白质功能障碍[18]。研究人员致力于解决这些问题，以确保航天员能够获得营养均衡且安全的食品。之外，许多心理变化也会影响食物摄入，导致航天员的压力水平增加、营养不良和烦躁行为[19]。在零重力和高辐射的太空环境下，人体会经历多种变化，包括二氧化碳浓度升高、消化不良、头晕、晕车、中枢神经系统功能紊乱、水分和电解质失衡等[20-21]。
太空食品的研究和发展是一个多学科交叉的复杂过程，涉及营养学、心理学、工程学等多个领域[22]。经过持续的技术创新和科学研究，有望为未来的太空探索任务提供更加健康、美味且多样化的食品选择。在太空食品研究领域，已经存在着相关数据库和论坛网站，为研究人员提供了丰富的信息资源。例如，NASA GeneLab是一个开放的科学平台，提供了大量来自太空生物学实验的数据集，尽管它主要关注基因组学数据，但也包含了一些与太空食品和营养相关的研究信息，[23]。此外，NASA的ISS研究页面也提供了大量的研究报告和研究成果，涵盖了食物保存、营养和食品安全等多个方面[24]。尽管这些资源非常宝贵，但它们往往分散在不同的平台和文献中，难以进行系统化的整合和分析。
为了更好地支持太空食品的研究，新建立的太空生命研究数据库（Space Life Investigation Database，SpaceLID）[25]从已发表的学术论文和公开的官方文件中广泛挖掘有价值的数据，涵盖了微生物、植物、动物和人类等92个物种及81种食品类型。这些数据被详细分类，包括生物物理现象、实验材料、实验程序、分析方法和研究成果，方便用户快速检索和使用。研究人员可以在SpaceLID平台更方便地获取和分析关于太空食品的各种信息，包括太空食品的营养密度、贮藏保鲜、包装技术及美食菜单等，进而探索太空食品在不同环境下的行为模式和变化规律，有助于更好地理解太空食品的特性和潜在问题。本文将通过使用SpaceLID中的数据和案例，探讨太空食品的应用及其对未来太空探索的影响。
1 SpaceLID的构建和搜索方法介绍
SpaceLID数据条目存储在MySQL（版本5.7.34）数据库管理系统中，这是一种高效且流行的关系数据库管理系统。为了与用户兼容并提升演示效果，网页的前端使用HTML5、CSS3和JavaScript构建。前端和数据库之间的交互是通过PHP（版本7.2.24）实现的，PHP是一种开源且高效的服务器端编程语言。SpaceLID是使用Nginx（版本1.14.0）服务器发布的，具有轻量级和免费的特性，平台完全开放，用户可以访问官方网站（https://bidd.group/spacelid/index.html）在线免费搜索、浏览并下载各类数据文件，包括TXT和Excel格式。
使用航天和生物研究相关术语的关键字组合从PubMed[26]检索涉及航空相关的生物研究的文献（见表1 ）。例如，搜索“International Space Station microbe”即可获得63个检索结果。
表 1 在PubMed中搜索的空间生物研究的关键字Table 1 Keywords for space life science research in PubMed |
| 航天相关术语 | 生命科学相关术语 |
| International Space Station, ISS, satellite, space shuttle, spaceflight | amphibian, astronaut, bacteria, bacterial, biofilm, biology, bird, blood, bone, brain, cardiovascular, drug, fish, food, fruit, fungal, fungus, health, human, leaf, liver, lizard, medicine, mice, microbe, microbial, microbiota, monkey, mouse, murine, plant, rat, rodent, root, seed, seedling, shoot, skeletal, vegetable, worm |
通过人工检查所有检索的出版物进行选择要包含在SpaceLID中的内容数据。SpaceLID排除了以下类型的出版物：（1）未描述原始实验研究（如−评论、评论、新闻）。（2）对太空飞行中进行的实验没有充分的描述，或没有专注于太空飞行模拟（如−模拟微重力）的研究。对符合要求的出版物分配唯一标识（Identity，ID），格式为SLID-XXX。对选定的出版物统一进行评估，按照研究对象（物种、组织和器官）、研究方法（实验装置、分析方法）、研究的目的及结果进行总结及分类。并对研究的内容与相关领域（如太空食品和生物物理学）的相关性进行人工注释，对实验所涉及的航天计划、研究物种的生物学分类信息进行扩展收录。出版物的分类信息附加到其ID中，并将出版物的内容组织成固定格式的纯文本表格。这些从原始文件中生成的表格记录了出版物信息、处理总结的标签、航天计划、研究方案和研究成果。最终收集了461篇文献报道，并将其详细信息纳入新建的数据库。这些信息数据涵盖了92个物种，包括植物、微生物、动物和人类。在这些太空生命调查数据中，有236项是现有数据库未覆盖的，现已被纳入SpaceLID。这461项调查包括106种植物、15种食品、14种药物、88种微生物、145种动物和93种人类研究。SpaceLID 可在线免费获得，用户可以通过主页上的快速搜索框（使用生物体、现象、飞行计划等关键字）或“高级搜索”部分（通过类别组合搜索）搜索数据库，然后通过研究ID超链接访问特定的研究内容。
SpaceLID涵盖了“太空药物”“太空食品”和“太空生物物理现象”三个主要领域。用户可以通过SpaceLID主页上的“浏览”按钮访问“太空食品”相关的研究（见图1 ）。每项研究都包含研究描述、关键字摘要、采用的研究方案、研究结果及相关出版物。SpaceLID提供了关于461项太空生命调查的全面信息，其中包括110项与太空食品相关的研究。涵盖的食品调查类别包括食品属性、食品摄入量、食品贮藏、食品使用、美食菜单和植物研究。总之，SpaceLID为太空食品研究提供了一个全面而高效的数据资源平台，有助于推动相关领域的科学研究和技术进步。通过这一平台，科研人员可以全面探索太空食品系统的发展、营养成分的稳定性问题，以及食品生产和加工技术，从而更好地理解未来太空探索任务中食品系统的潜在需求，开发出更适合航天员的食品解决方案，确保他们在长时间的太空任务中保持最佳的身心状态。
2 SpaceLID信息在航天食品研究方面的应用案例
SpaceLID在航天食品研究中的应用可通过几个具体案例来展示。这些案例通过“太空食品”研究搜索工具检索，涵盖了太空食品的营养流失、储存、包装技术，以及太空环境下对食品摄入的影响和相关的分析结果。
首先，SpaceLID提供了一个深入了解航天食品在加工、包装及在太空飞行任务中的稳定性问题的窗口。这些问题不仅局限于太空食品领域，更是食品科学中普遍面临的挑战，涉及食品在极端条件下的保存技术。在航天器的飞行过程中，确保食物系统能够提供全面且均衡的营养供应，对于任务的成功和机组人员的健康至关重要[27]。通过使用“太空食品”（Space Food）研究检索工具搜索关键词“食物保存”，可以检索到多项相关研究。SLID-382系列研究了在国际空间站上暴露于太空飞行的食品样品中营养物质的稳定性。研究中，五种不同的航天食品、一种复合维生素和一种维生素D补充剂被包装成4个相同的样品组，并于2006年通过航天飞机送往国际空间站，随后在不同的时间段内（13天、353天、596天和880天）进行了存储。在每个时间点，这些样品被送回地球进行详细的分析。同时，每种食品和维生素的九个重复样本（与送入太空的食物来自同一批次）被保留在地球上的环境室中，作为对照组。在每个时间点，对相同批次食品样品中的维生素、己醛、氧自由基吸光度容量和氨基酸等进行测量。这项研究首次对太空食品系统的食物进行长期飞行稳定性研究，并提供了有关太空食品和补充剂随时间和太空环境的营养稳定性的宝贵数据[28]。
研究数据中最引人注目的是，玉米饼中叶酸和硫胺素的含量减少了约50%。其次，焗烤西兰花中叶酸、维生素K和维生素C的含量降低了15%~20%，复合维生素中的核黄素、维生素A和维生素C下降了10%~35%，而杏仁中的己醛增加了200%。在太空飞行596天后，大多数食品的维生素浓度因储存时间而下降，但总体上，飞行样本中的营养物质降解速度并不比地面对照组快。这项研究为研究食物系统中的营养稳定性提供了第一组航天数据。研究表明，尽管长期储存会导致一些营养物质的降解，但在适当的包装和储存条件下，食品的营养成分可以在太空中保持相对稳定。
对于可能超过3年的探索级任务，需要开发不同的包装或其他方法来延长食品系统中营养物质的保质期。这方面，SLID-390系列可以提供参考。该系列介绍了目前用于太空飞行食品的保存方法及替代品（如高压加工和微波灭菌）的潜力，以满足长期飞行任务的要求[29]。当前的保存方法包括冷冻干燥、蒸馏水热稳定和辐照。冷冻干燥通过升华去除水分，使食品结构多孔，便于再水化，但不能防止不稳定维生素的降解[30]。蒸馏水热稳定通过高温使食品中的病原体和酶失活，但增加了食品内化学反应的速率，降低了食品的质量和营养成分[31]。辐照使用伽马射线或电子束灭活孢子和致病性微生物，但可能改变食品的功能品质，如颜色、香气和固体含量[32]。为满足长期飞行任务的要求，新兴的加工技术如高压处理（High Pressure Processing，HPP）和微波辅助热灭菌（Microwave-Assisted Thermal Sterilization，MATS）被认为是有潜力的方法。HPP通过高压灭活，对维生素、风味和质地的影响较小[33]。MATS使用高频微波进行高温短时间处理，可以更好地保持食品的颜色和质地，但需要改进包装以防止氧气和水分的进入[34]。
此外，SpaceLID也包含了关于影响航天员在太空任务中营养摄入不足的多种相关因素的线索。这些因素不仅关乎航天员的个人健康，也直接关系到任务的效率和成功率。通过使用Space Food研究检索工具并输入搜索关键词“食物摄入量”，可以检索到3项相关研究。在SLID-384系列中探讨了影响航天员食物摄入的关键因素，包括食物保质期、生理变化、噪声、空气和水质对食物风味感知的影响，以及食物风味与食物摄入之间的联系[35]。在国际空间站上，一个重要的观察结果是航天员在太空中通常只摄入营养需求的80%，研究人员担心长期飞行期间的营养摄入不足可能对机组人员造成不利影响[36]。在太空飞行期间，航天员经历了显著的体重减轻[37]。这种体重下降主要是由于水分流失，以及肌肉和脂肪量的减少[38]。虽然水分和肌肉质量的损失主要归因于微重力环境的影响，但长期任务中约2 kg的体重损失则提示可能存在营养摄入不足的问题[39]。因此，研究人员通过静息代谢率，以及根据航天员的活动水平（从久坐到高强度运动）来计算每个航天员的能量需求[40]。标准饮食计划旨在提供大约2800 千卡/天的能量摄入[41]。然而，实际数据显示，在长达28周的任务中，一组11名航天员普遍存在持续性的卡路里赤字（见图2 ）。
与地球上的食物相比，太空中的食物味道有所不同，这可能是由于太空环境改变了食物的感知味道，而这种变化可能导致航天员能量摄入不足。图3 显示了在太空飞行过程中可能影响风味感知的潜在因素，并表明风味感知涉及多种感官的整合，“味道好”的食物具备这些属性的适当平衡[46]。在微重力条件下，液体和气体的性质发生变化，这会影响味觉和嗅觉感受器[47]。例如，液体在口腔中的分布不均匀可能影响食物的味道感知[48]；鼻腔内的液体也可能因重力变化而移动，从而影响嗅觉感知，进而影响整体的风味体验[49]。此外，航天器内的二氧化碳浓度从地面的0.1%升高到1.0%，高二氧化碳浓度会影响味觉和嗅觉受体的功能，从而进一步影响食物的风味感知[50]。航天器内的湿度和温度条件也对食品的保存和风味产生了影响[51]。因此，在长期的太空任务中，食品需要在特定的温度和湿度条件下储存，以保持其营养价值和风味[52]。然而，航天器内的环境条件不如地面实验室严格控制，这可能导致食品品质下降，影响航天员的食欲和营养摄入[53]。
心理因素也在航天员的食物摄入量和风味感知中起着重要作用[54]。由于太空环境的影响和食物摄入量的减少，对味觉的感知也会发生变化，在地球上认为味道好的食物在太空中可能显得缺乏吸引力[55]。国际空间站的航天员表示，他们的食物偏好从飞行任务前的地面上到太空都会发生变化[56]。研究表明，航天器环境对航天员食物摄入量和风味感知的多方面影响，这些发现不仅有助于优化当前的太空食品系统，也为未来的长期太空任务提供了重要的科学依据。借助SpaceLID提供的详尽数据，研究人员能够深入分析航天器内环境条件与食品设计之间的关系，从而提出更有效的改进措施。通过改进航天器内的环境条件和食品设计，可以更好地满足航天员的营养需求，显著提升他们的生活质量和任务执行的成功率。SpaceLID不仅加深了我们对太空环境中人类生理和心理反应的理解，还为开发更加人性化和高效的太空生活支持系统奠定了坚实的基础。持续利用SpaceLID进行研究和创新，将确保航天员在长时间的太空任务中保持最佳状态，从而推动太空探索事业不断前进。
3 数据库现状与优化
在SpaceLID中每篇出版物构成一个独立条目，每个条目详细记录了研究的信息，并结合图表进行展示。其他太空数据库例如美国国家航空航天局生命科学数据档案（NASA Life Science Data Archive，LSDA）和伊拉斯谟实验档案（Erasmus Experiment Archive，EEA）的条目主要是基于单个实验的报告所构建，主要包括以文本形式描述的步骤和结果；NASA GeneLab 数据库则专注于组学数据[57]。相比之下，SpaceLID的条目能够更全面地呈现太空生命科学研究（Spaceflight Life Investigations，SLIs）的研究方法及结果。每个SLIs均具有包含研究的多方面内容的独立标签，具备完善的菜单分类信息及搜索功能。与已建立的数据库相比，SpaceLID的标签在内容呈现上更加完整详细，显示出研究方法含有的生物学意义，有助于确定特定领域的SLIs，有进一步通过文献展现的航天数据进行信息学分析的潜在应用价值。
SpaceLID补充了其他已建立数据库（如NASA生命科学数据档案）未涵盖的232个太空生命研究现象，为太空食品研究提供了更全面的数据支持。但在筛选和分类数据时，数据库仍然可能存在不准确或不全面的问题。例如，太空食品的研究可能涉及多个细分领域（如营养学、微生物学、食品科学等），可能会存在某些重要信息被遗漏。此外，随着太空食品技术的快速发展，新的食品配方、加工技术或营养研究成果可能无法及时被纳入数据库。为此，将不断跟进最新数据，及时完善数据库，覆盖更多新兴的太空食品技术（如太空培育细胞肉、共生食物系统等）。未来，数据库将进一步优化数据分类。例如，基于太空食品的特殊需求进行分类，如按任务阶段（日常、应急、舱外活动）或形态（脱水、热稳定、流质）进行划分。同时，引入智能检索工具，利用自然语言处理技术，提升数据库的检索能力，帮助用户更精准地获取所需信息。此外，通过图表、图形等方式展示太空食品的营养变化、微生物生长等数据，增强用户交互体验，帮助用户更直观地理解研究结果。
SpaceLID数据涵盖多个生物系统和研究领域，按照不同维度进行分类和整理，这表明其具备一定的数据标签体系。这种标签体系有助于数据的组织、检索和分析，为进一步发展监督学习提供了基础。数据标签体系的存在使得研究人员能够利用标记的数据进行监督学习，训练人工智能（Artificial Intelligence，AI）模型以完成特定任务，如营养趋势预测：时间序列分析食品保存与营养衰减关系；食品多模态评价标准模型：结合食物外观图像、感官评分、营养数据构建多模态模型；食品-营养-任务映射模型：预测太空环境下生物的生理变化，结合营养成分数据，训练适应环境的个性化食谱模型。随着数据积累和质量提升，未来SpaceLID数据库有望助力AI模型在太空生命科学领域的应用和发展。
4 结 语
航天食品是人类在太空生存和活动的基本保障。为了应对太空极端环境和繁重的航天任务，需要针对航天员与地面人员不同的饮食需求、食品风味和保存特性，提升航天食品的品质、营养和风味，并发展相应的食品保存和加工工艺。基于此，本文将通过介绍SpaceLID中的数据和案例，推广探讨数据库在航天食品的应用及其对未来太空探索的影响。随着食品技术的不断进步，未来的航天食品将更加多样化、营养均衡且安全可靠。本数据库和将来进一步的研究未来能够交叉拓展多个学科领域，有助于改善航天员的饮食条件，推动航天食品技术的发展，具有重要应用价值和广阔的发展前景。