•  

Субекти

Резюме

Преработената и предварително опакована космическа храна е основният източник на храна за екипажа на борда на Международната космическа станция и вероятно ще продължи да бъде основният източник на храна за бъдещи изследователски мисии. Налице е обаче много малко информация за хранителната стабилност на космическите храни. За да се разбере по-добре тяхната хранителна стабилност, бяха измерени 24 микроелемента в 109 космически храни, съхранявани в продължение на 3 години при стайна температура. Нашият анализ показа, че концентрациите на калий, калций, витамин D и витамин К в храната може да не са достатъчни, за да отговорят на препоръчителните изисквания за дневен прием дори преди съхранение. По време на съхранението се наблюдават намаления на витамините А, С, В1 и В6. Забележително е, че витамините В1 и С могат да се разградят до неадекватни нива съответно след 1 година и 3 години. Тази оценка предполага, че ще са необходими различни технологични подходи за стабилизиране на преработените храни, за да се осигурят мисии за космически полети в продължение на 1 година.

Въведение

Хранителният прием има значителни последици за здравето и работата на астронавтите по време и след космически полет. Основният фокус в хранителните изследвания е върху бионаличността и модификациите на хранителните нужди за членовете на екипажа1, и е налице малко информация относно стабилността на хранителните вещества в стабилната хранителна система на рафта. Преработената и предварително опакована хранителна система е основният източник на хранене за настоящите екипажи, а екипажите за проучване вероятно ще използват същата система. Логистиката и наличността на ресурси предотвратяват внедряването на пресни или охладени системи за хранене 2, а добавките не могат да възпроизвеждат многобройните биоактивни съединения и синергиите, които се осигуряват чрез пълноценни храни и балансирана диета. 3 Космически мисии отвъд ниската околоземна орбита изискват система, която може да достави висококачествени хранителни продукти, в идеалния случай без условие за съхранение, до 5 години. По време на консумацията храната трябва да бъде приемлива по качество и трябва да доставя препоръчания прием на макронутриенти, витамини и минерали.

Настоящата хранителна система на Международната космическа станция (ISS) е съставена от преработени храни, които са опаковани във вакуум във високобариерни ламинати със слой от алуминиево фолио, микробиологично безопасни и съвместими с микрогравитация. 2 Лиофилизацията, облъчването или реторт термостабилизационната обработка, използвани за постигане на безопасност на храните, предизвикват химически и структурни промени, които променят качеството и стабилността на храната. 4 Преработката и съхранението оказват влияние върху повечето витамини, 5 но разграждането е специфично за хранителната матрица, историята на обработката, опаковката и параметрите на годност. Наличните данни за стабилност не са специфични за параметрите на космическата храна и не могат да бъдат екстраполирани точно.

Само пет храни от хранителната система за космически полети преди са били оценявани за многогодишна хранителна стабилност и резултатите показват, че витамините В1, В9, К и С значително се разграждат в зависимост от конкретната храна. 6 Хранителната адекватност на 203 настоящи космически хранителни стоки е оценена само чрез оценки на база данни, които не отчитат специфичните параметри на космическия полет или разширеното съхранение, но оценките информират за стандартния състав на менюто за храна за космически полети. Като анализира представителни примери от системата за храна в космическия полет, това проучване предоставя първоначална оценка на хранителната адекватност на настоящата космическа хранителна система. Резултатите от стабилността осигуряват базова линия за сравнение с бъдещите технологии за преработка и съхранение, което ще позволи напредък към система с адекватна хранителна стабилност при бъдещи изследователски мисии.

Резултати

Анализът след производството показва, че витамин D, витамин К, калий и калций не са достатъчни, за да отговорят на препоръчителния дневен прием на хранителни вещества, като се приеме, че диетата отговаря на стандартното меню за храна в космоса (фиг. 1). Витамин D обикновено е с ниско съдържание на храна. Дефицитът на витамин D, до голяма степен поради липсата на излагане на слънчева светлина, е смекчен с добавка за ISS. Концентрациите както на калий, така и на калций са приблизително 20% по-ниски от препоръчителните нива на прием, а витамин К има прогнозен дефицит от 13% дневно.

първоначална

Очаквана доставка на витамин за диета за възрастни хора, консумирана съгласно стандартното меню на ISS. Общите концентрации на витамини D и K, както и на калций и калий са по-ниски от препоръчителните прием след обработка. Витамин С и В1 могат да се разградят до неадекватни концентрации в рамките на 3 години след съхранение на 21 ° С; витамините А, В6 и В12 намаляват, но след 3 години остават достатъчни концентрации. Напитките бяха изключени от този анализ, тъй като понастоящем не са част от стандартното меню и се избират само въз основа на предпочитанията на екипажа

По-лабилните витамини в храната в космоса се разграждат по време на съхранение при температура 21 ° C за 3-годишен период на съхранение (фиг. 1). Витамините B1 и C бързо намаляват, но няколко витамина (включително A, B6 и B12) показват само леко разграждане или са налични в достатъчно храни, така че доставката на хранителни вещества да остане достатъчна.

Тенденциите в хранителната стабилност не поддържат разлика между методите на обработка след 3 години за повечето витамини. Въпреки това, стабилността на няколко витамина варира с формулировката на храната или матрицата. Съдържанието на витамин С в повечето плодови продукти се разгражда между 32 и 83% след 3 години съхранение, без да се дължат на разлики в обогатяването на състоянието на аскорбинова киселина (фиг. 2). Витамин С изглежда по-стабилен в лиофилизирани продукти, които предлагат защита срещу окисляване (продукти със сосове) и в подсилени напитки на прах.

Концентрациите на витамин С в космическите храни за 3 години съхранение при 21 ° C обикновено намаляват от първоначалната концентрация. Скоростта на спад е най-зависима от основната хранителна матрица и формулировката. Забележка: Увеличаването на съдържанието от първоначалната концентрация в обогатените продукти вероятно се дължи на капсулиране, което може да попречи на пълното химично откриване, докато самото капсулиране се разгради с течение на времето

Витамин В6 също варира по стабилност, разграждайки средно 14,5% в храните с най-висока концентрация за 3 години съхранение в околната среда. Пилешките продукти и продуктите от говеждо месо са имали малко по-високи средни стойности на деградация на B6, съответно 26 и 22%.

Тиаминът е по-стабилен в хлебните продукти, отколкото в животинските продукти (фиг. 3). Няколко потенциални фактора, като разграждане поради облъчване и термична обработка, отделните хранителни матрици или използването на тиамин мононитрат - силно стабилна форма на В1 - в хлебните продукти, може да са довели до разликата в стабилността на тиамина.

Сравнение на стабилността на витамин В1 в хлябовете и месото след 3 години съхранение при 21 ° C. Концентрациите на витамин В1 в хлябовете се поддържат на по-високи нива от концентрациите на В1 в месото. Множество фактори, включително преработка, хранителни матрици и обогатяване, може да са допринесли за разликата в стабилността във времето

Дискусия

Въпреки че се основава на един набор от анализи, нашето проучване показва, че настоящата космическа хранителна система може да не осигурява адекватни витамин С и В1 за 3-годишни проучвателни мисии. Други витамини, като B9 и B12, също могат да имат проблеми със стабилността, но изискват допълнителен анализ. Някои витамини се разграждат по-специфично за храната (т.е. витамини В2 и Е), но не променят съществено хранителните доставки на космическата хранителна система (данните не са показани). Много витамини са на разположение в достатъчно храни и с достатъчна концентрация, така че се предвижда да бъдат на разположение до 5 години при спазване на стандартното меню. Независимо от това, необходимите хранителни вещества все още могат да бъдат недостатъчни, ако членовете на екипажа не балансират адекватно диетата си или не приемат храните, устойчиви на хранителни вещества. Като се има предвид ограниченото предлагане на храна по време на мисии, изборът на храна на един член на екипажа ще повлияе на избора на храна, останал за останалите членове на екипажа.

Приемът на храна и хранителни вещества от екипажа е сложен въпрос. Това проучване разглежда част от тази сложност, като подчертава потенциалните проблеми с доставката на хранителни вещества от многогодишната складирана хранителна система, което може да има последици за бъдещите екипи за проучване. Въпреки че обогатяването или добавката може да бъде предложена като хранителна противомерка, капсулните добавки могат по същия начин да се разградят и да изискват спазване. Освен това доставката на синтетичен витамин би пренебрегнала биоактивните съединения, осигурени чрез цели и преработени храни, и ползите, които тези съединения могат да осигурят в химически стабилен контекст. Силно приемлива и питателна хранителна система най-добре осигурява доставка на калории и хранителни вещества до екипажа и се препоръчват усилия за стабилизиране или разработване на цели храни за тази система чрез алтернативна обработка или съхранение при намалена температура.

Настоящото изследване изследва стабилността на храните, преработени с помощта на термична стабилизация с помощта на микровълнова фурна (MATS) в сравнение с настоящите методи за термична обработка, и съвместно, изследване на стабилността на храните след продължително съхранение в замразено или охладено състояние за всички космически храни. По-краткото термично излагане при обработката на MATS и забавените кинетични скорости на химическо разграждане при понижени температури се очаква да подобрят витаминната стабилност и да увеличат срока на годност. 7 Освен това в земните камери и на МКС се изследва биорегенеративна система за салата, за да се определи надеждна инфраструктура и методи за градинарство, които ще позволят на културите, отглеждани в космически полет, да допълнят храненето на екипажа. 8 Тъй като развитието на инфраструктурата, изборът на култури и надеждността на системата се усъвършенстват и валидират, се очаква биорегенеративните хранителни култури да станат важен източник на хранене за екипажа.

Методи

Сто девет от 203 храни, които понастоящем се предлагат в стандартното меню на ISS, бяха избрани за хранителни изследвания въз основа на метода за стабилизиране и основната матрица на храните. Храните бяха преработени и опаковани в съответствие с настоящите спецификации за космически полети и след това съхранявани при 21 ° C до 3 години.

Три пакета от всеки хранителен продукт бяха изпратени веднага след производството в референтна лаборатория (Covance, Madison, WI, USA) за композитен анализ на 24 витамини и минерали, следвайки официалните методи за анализ на AOAC International. 9, 10 Проби бяха изпратени по подобен начин след 1 и 3 години съхранение в 21 ° C инкубатор (температура на ISS). Храните бяха приготвени в съответствие с инструкциите на ISS (рехидратация) преди анализ. Данните бяха категоризирани по групи храни и използвани за качествено показване на хранителната деградация на хранителната система въз основа на стандартното меню за космически полети.

Наличност на данни

Данните са достъпни от архива на данните на НАСА за науките за живота: https://lsda.jsc.nasa.gov/lsah_home1.aspx.

Препратки

Smith, S. M., Zwart, S. R. & Heer, M. Човешката адаптация към космически полети: Ролята на храненето (НАСА, 2014).

Smith, S. M., Zwart, S. R., Kloeris, V. & Heer, M. Хранителна биохимия на космическите полети (Nova Science Publishers, Inc., 2009).

Liu, R. H. Ползите за плодовете и зеленчуците за здравето са от добавки и синергични комбинации от фитохимикали. Am. J. Clin. Nutr. 78, 517S – 520S (2003).

Catauro, P. M. & Perchonok, M. H. Оценка на дългосрочната стабилност на ретортираните торбички в подкрепа на космически полет с продължителна продължителност. J. Food Sci. 77, S29 – S39 (2012).

Rickman, J. C., Barrett, D. M. & Bruhn, C. M. Хранително сравнение на пресни плодове и консервирани плодове и зеленчуци 1. Витамини С и В и фенолни съединения. J. Sci. Food Agric. 87, 930–944 (2007).

Zwart, S. R., Kloeris, V. L., Perchonok, M. H., Braby, L. & Smith, S. M. Оценка на хранителната стабилност в храни от космическата хранителна система след дългосрочен космически полет на МКС. J. Food Sci. 74, H209 – H217 (2009).

Tang, J. Отключване на потенциалите на микровълните за безопасност и качество на храните. J. Food Sci. 80, E1776 – E1793 (2015).

Massa, G. D. et al. VEG-01: тестване на вегетариански хардуер на Международната космическа станция. Open Agric. 2, 33–41 (2017).

AOAC. Официални методи за анализ на AOAC International (изд. Horwitz, W., Latimer, G. W.) 18-то издание (AOAC International, 2005).

AOAC. Официални методи за анализ на AOAC International (изд. Horwitz, W.) 17-то издание (AOAC International, 2000).

Благодарности

Благодарим на д-р Марк От, микробиолог от космическия център Джонсън, за проницателни дискусии. Тази работа е финансирана от Програмата за човешки изследвания на Националната аеронавтика и космическа администрация „Космически човешки фактори и обитаемост“.

Информация за автора

Принадлежности

Leidos, Inc., Хюстън, Тексас, 77258, САЩ

Дирекция „Човешко здраве и ефективност“, Космическият център на НАСА Джонсън, Хюстън, Тексас, 77058, САЩ

Michele Perchonok & Grace L. Douglas

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Вноски

M.C .: проучване на оперативна поддръжка, процедури и анализ, подготовка на ръкописи. M.P .: процедури и проучване на оперативна подкрепа. Г.Д .: проучване на оперативна поддръжка, процедури и анализ, подготовка на ръкопис.

Автора за кореспонденция

Етични декларации

Конкуриращи се интереси

M.C. е изпълнител на Food Scientist към NASA, M.P. и Г. Д. са учени по храните на НАСА.

Допълнителна информация

Бележка на издателя

Springer Nature остава неутрален по отношение на юрисдикционните претенции в публикувани карти и институционални принадлежности.