Az űrélelmezési rendszer táplálkozási minőségének kezdeti értékelése a környezeti tárolás három éve alatt

Maya Cooper

1 Leidos, Inc., Houston, TX 77258 USA

Michele Perchonok

2 Emberi Egészségügyi és Teljesítmény Igazgatóság, NASA Johnson Űrközpont, Houston, TX 77058 USA

Grace L. Douglas

2 Emberi Egészségügyi és Teljesítmény Igazgatóság, NASA Johnson Űrközpont, Houston, TX 77058 USA

Társított adatok

Az adatok a NASA Élettudományi Adattárából érhetők el: https://lsda.jsc.nasa.gov/lsah_home1.aspx.

Absztrakt

A Nemzetközi Űrállomás fedélzetén a feldolgozott és előre csomagolt ételek a táplálékforrások fő forrása, és valószínűleg továbbra is a jövőbeni kutatási küldetések fő táplálékforrásai lesznek. Az űrtartalmú ételek táplálkozási stabilitásáról azonban nagyon kevés információ áll rendelkezésre. Táplálkozási stabilitásuk jobb megértése érdekében 24 mikrotápanyagot mértünk 109 űrtartalmú élelmiszerben, 3 év alatt szobahőmérsékleten tárolva. Elemzésünk azt mutatta, hogy a kálium, a kalcium, a D-vitamin és a K-vitamin koncentrációja az élelmiszerben még tárolás előtt sem biztos, hogy megfelel az ajánlott napi beviteli követelményeknek. A tárolás során az A, C, B1 és B6 vitamin csökkenését figyelték meg. Különösen a B1- és a C-vitamin 1, illetve 3 év után nem megfelelő szintre bomolhat. Ez az értékelés azt sugallja, hogy a feldolgozott élelmiszerek stabilizálásához különböző technológiai megközelítésekre lesz szükség, hogy az űrrepülési küldetések 1 éven keresztül lehetővé váljanak.

Bevezetés

A táplálékbevitel jelentős következményekkel jár az űrhajósok egészségére és teljesítményére az űrrepülés során és után. A táplálkozási kutatásban az elsődleges hangsúly a biológiai hozzáférhetőségre és a személyzet tagjainak táplálkozási szükségleteinek módosítására irányult, 1 és kevés információ áll rendelkezésre a tápanyagok stabilitásáról a polcain stabil élelmiszer-rendszerben. A feldolgozott és előrecsomagolt élelmiszer-rendszer a fő táplálékforrás a jelenlegi személyzet számára, és a kutatócsoportok valószínűleg ugyanazt a rendszert fogják használni. A logisztika és az erőforrások rendelkezésre állása megakadályozza a friss vagy hűtött élelmiszerrendszerek megvalósítását, 2 és a kiegészítők nem képesek megismételni a számos bioaktív vegyületet és a szinergiákat, amelyeket a teljes ételek és a kiegyensúlyozott étrend biztosít. 3 Az alacsony földi pályán kívüli személyzet űrmissziói olyan rendszert igényelnek, amely akár öt évig is képes kiváló minőségű élelmiszerellátást biztosítani, ideális esetben kondicionált tárolás nélkül. Fogyasztáskor az élelmiszernek minőségileg elfogadhatónak kell lennie, és az ajánlott makrotápanyagok, vitaminok és ásványi anyagok bevitelét kell biztosítania.

A jelenlegi Nemzetközi Űrállomás (ISS) élelmiszer-rendszere olyan feldolgozott élelmiszerekből áll, amelyeket vákuumcsomagolásban alumínium fóliaréteggel ellátott, magas záróképességű laminátumokba helyeznek, mikrobiológiailag biztonságosak és kompatibilisek a mikrogravitációval. 2 Az élelmiszerbiztonság elérése érdekében alkalmazott fagyasztva szárítás, besugárzás vagy retort termostabilizálás kémiai és szerkezeti változásokat idéz elő, amelyek megváltoztatják az élelmiszer minőségét és stabilitását. 4 A feldolgozás és a tárolás hatással van a legtöbb vitaminra, 5 de a lebomlás az élelmiszer-mátrixra, a feldolgozási előzményekre, a csomagolásra és az eltarthatósági paraméterekre jellemző. A rendelkezésre álló stabilitási adatok nem specifikusak az űrtartalmú élelmiszerek paramétereire, és nem lehet pontosan extrapolálni.

Az űrrepülési élelmiszer-rendszerből csak öt ételt értékeltek korábban a többéves táplálkozási stabilitás szempontjából, és az eredmények azt mutatják, hogy a B1, B9, K és C vitamin jelentősen lebomlik élelmiszer-specifikusan. 6 A jelenlegi 203 űrtartalmú élelmiszer táplálék-megfelelőségét csak olyan adatbázis-becslések segítségével értékelték, amelyek nem veszik figyelembe az űrrepülés-specifikus paramétereket vagy a hosszabb tárolást, de a becslések tájékoztatják az űrrepülés ételek szokásos összetételét. Az űrrepülési élelmiszer-rendszer reprezentatív példáinak elemzésével ez a tanulmány a jelenlegi űrkutatási rendszer táplálkozási megfelelőségének kezdeti értékelését nyújtja. A stabilitás eredményei kiindulási alapot nyújtanak a jövőbeni feldolgozási és tárolási technológiákkal való összehasonlításhoz, amely lehetővé teszi a megfelelő táplálkozási stabilitással rendelkező rendszer felé való előrelépést a jövőbeni kutatási feladatok során.

Eredmények

A gyártás utáni elemzés azt mutatta, hogy a D-vitamin, a K-vitamin, a kálium és a kalcium nem volt elegendő az ajánlott tápanyag-napi bevitel teljesítéséhez, feltételezve, hogy az étrend megfelel az űrrepülés standard ételmenüjének (1. ábra). A D-vitamin általában kevés táplálékot tartalmaz. A D-vitamin hiányát, főként a napfénynek való kitettség hiánya miatt, az ISS kiegészítésével enyhítették. Mind a kálium-, mind a kalciumkoncentráció körülbelül 20% -kal alacsonyabb volt, mint az ajánlott beviteli szint, és a K-vitamin előrejelzése szerint napi 13% -os hiány volt.

Várható vitaminszállítás az öregedő űrtartalmú étrendhez, az ISS Standard Menu szerint fogyasztva. A D- és K-vitamin, valamint a kalcium és a kálium összkoncentrációja alacsonyabb az utólagos feldolgozás ajánlott bevitelénél. A C és B1 vitamin nem megfelelő koncentrációra bomolhat 3 éven belül 21 ° C-os tárolás után; az A-, B6- és B12-vitamin csökken, de elegendő koncentráció 3 év után is megmarad. Az italokat kizárták az elemzésből, mert ezek jelenleg nem tartoznak a szokásos menübe, és csak a legénység preferenciája alapján kerülnek kiválasztásra

Az űrrepülési élelmiszerek labilisabb vitaminjai 3 éves tárolási idő alatt 21 ° C-os hőmérsékleti tárolás során lebomlottak (1. ábra). A B1- és C-vitamin gyorsan csökkent, de számos vitamin (köztük az A, B6 és B12) csak kismértékű lebomlást mutatott, vagy elegendő ételben volt elérhető ahhoz, hogy a tápanyagok szállítása megfelelő maradjon.

A táplálkozási stabilitás tendenciái a legtöbb vitamin esetében nem támasztották alá a 3 év utáni feldolgozási módszerek közötti különbséget. Számos vitamin stabilitása azonban az élelmiszer-összetétel vagy a mátrix függvényében változott. A legtöbb gyümölcstermék C-vitamin-tartalma 3 és 3 év közötti tárolás után 32 és 83% között bomlott le, az aszkorbinsav-dúsítási státusnak nem tulajdonítható különbség (2. ábra). A C-vitamin stabilabbnak tűnt a fagyasztva szárított, oxidációval szemben védelmet nyújtó termékekben (szószos termékek) és a porított dúsított italokban.

A C-vitamin koncentrációja az űrtartalmú élelmiszerekben 3 év alatt, 21 ° C-os tárolás alatt általában csökkent a kezdeti koncentrációhoz képest. A csökkenés mértéke leginkább az elsődleges élelmiszer-mátrixtól és a készítménytől függött. Megjegyzés: A tartalom növekedése a dúsított termékek kezdeti koncentrációjától valószínűleg a kapszulázásnak köszönhető, amely akadályozhatja a teljes kémiai detektálást, amíg a kapszulázás idővel nem romlik

A B6-vitamin stabilitása szintén változó volt, átlagosan 14,5% -ot bontott le azokban az élelmiszerekben, amelyekben a legmagasabb a koncentráció a környezeti hőmérsékleten történő tárolás során 3 év alatt. A csirkehústermékek és a marhahústermékek B6-lebontási átlaga valamivel magasabb volt, 26, illetve 22%.

A tiamin stabilabb volt a kenyértermékekben, mint az állati termékekben (3. ábra). Számos potenciális tényező, például a besugárzás és a hőkezelés miatti lebomlás, az egyes élelmiszer-mátrixok, vagy a tiamin-mononitrát - a B1 nagyon stabil formájának - használata a kenyértermékekben vezethetett a tiamin-stabilitás eltéréséhez.

A B1-vitamin stabilitásának összehasonlítása kenyerekben és húsokban 3 év 21 ° C-os tárolás után. A kenyerekben a B1-vitamin koncentrációja magasabb szinten maradt, mint a húsok B1-koncentrációja. Több tényező, beleértve a feldolgozást, az élelmiszer-mátrixokat és a dúsítást, hozzájárulhatott a stabilitás időbeli változásához

Vita

Míg egyetlen elemzés alapján tanulmányunk azt jelzi, hogy a jelenlegi űrkutatási rendszer nem biztosíthat megfelelő C- és B1-vitamint 3 éves kutatási feladatokhoz. Más vitaminoknak, például a B9-nek és a B12-nek is lehetnek stabilitási problémái, de további elemzést igényelnek. Egyes vitaminok élelmiszer-specifikusabb alapon bomlottak le (azaz a B2 és az E vitaminok), de nem változtatták meg lényegesen az űrélelmezési rendszer táplálkozási ellátását (az adatokat nem mutatjuk be). Sok vitamin elegendő ételben és megfelelő koncentrációban áll rendelkezésre, így az előrejelzések szerint akár 5 évig is elérhetőek lesznek, a standard menü betartásával. Ennek ellenére a szükséges tápanyagok továbbra is elégtelenek lehetnek, ha a személyzet tagjai nem egyensúlyozzák ki étrendjüket, vagy nem fogyasztják a tápanyag-stabil ételeket. Tekintettel a missziók alatti korlátozott élelmiszer-ellátottságra, az egyik legénység ételválasztása befolyásolja a többi személyzet számára fennmaradó ételválasztást.

A legénység táplálék- és tápanyagbevitele összetett kérdés. Ez a tanulmány ennek a bonyolultságnak a töredékével foglalkozik, kiemelve a többéves tárolt élelmiszer-rendszer potenciális tápanyag-szállítási problémáit, amelyek kihatással lehetnek a jövőbeni kutatócsoportokra. Bár táplálkozási ellenintézkedésként dúsítást vagy kiegészítést javasolhatunk, a kapszula-kiegészítők ugyanúgy lebomlanak, és megfelelőséget igényelnek. Ezenkívül a szintetikus vitaminbeadás figyelmen kívül hagyná a teljes és a feldolgozott élelmiszerek által nyújtott bioaktív vegyületeket, valamint azokat az előnyöket, amelyeket ezek a vegyületek kémiailag stabil kontextusban nyújthatnak. A rendkívül elfogadható és tápláló táplálékrendszer biztosítja a legjobban a kalória- és tápanyag-szállítást a személyzet számára, és ajánlatos alternatív feldolgozással vagy csökkentett hőmérsékletű tárolással stabilizálni vagy kifejleszteni a teljes élelmiszereket ehhez a rendszerhez.

A jelenlegi kutatások a mikrohullámú asszisztált hőstabilizálással (MATS) feldolgozott élelmiszerek stabilitását vizsgálják a jelenlegi termikus feldolgozási módszerekhez képest, és ezzel együtt az élelmiszer-stabilitást is vizsgálják az összes űrtartalmú élelmiszer kiterjesztett fagyasztott vagy hűtött tárolása után. A MATS-feldolgozás rövidebb termikus expozíciója és a kémiai lebomlás lassított kinetikai sebessége csökkent hőmérsékleten várhatóan javítja a vitaminok stabilitását és növeli az eltarthatóságot. 7 Ezenkívül egy bioregeneratív salátanövény-rendszert vizsgálnak a talajkamrákban és az ISS-en annak érdekében, hogy meghatározzák a megbízható infrastruktúra- és kertészeti módszereket, amelyek lehetővé teszik az űrrepülésben termesztett növények számára a személyzet táplálékkiegészítését. 8 Mivel az infrastruktúra fejlesztése, a terményválasztás és a rendszer megbízhatósága előrehaladott és érvényesített, várhatóan a bioregeneratív élelmiszer-növények fontos táplálékforrássá válnak a személyzet számára.

Mód

Az ISS standard menüjében jelenleg elérhető 203 élelmiszerből százkilencet választottak ki táplálkozási vizsgálatra a stabilizálási módszer és az elsődleges élelmiszer-mátrix alapján. Az ételeket a jelenlegi űrrepülési előírásoknak megfelelően dolgozták fel és csomagolták, majd legfeljebb 3 évig 21 ° C-on tárolták.

Minden egyes élelmiszerből három csomagot gyártás után azonnal elküldtek egy referencialaboratóriumba (Covance, Madison, WI, USA) 24 vitamin és ásványi anyag összetett elemzésére az AOAC International hivatalos elemzési módszereit követve. 9, 10 mintákat hasonló módon küldtek el 1 és 3 év elteltével 21 ° C-os inkubátorban (hőmérséklet ISS-en). Az elemzés előtt az ételeket az ISS utasításainak (rehidrálás) megfelelően készítettük el. Az adatokat élelmiszercsoportok szerint kategorizálták, és az élelmiszer-rendszer táplálkozási károsodásának minőségi jelzésére használták fel a szokásos űrrepülési menü alapján.

Az adatok elérhetősége

Az adatok a NASA Élettudományi Adattárából érhetők el: https://lsda.jsc.nasa.gov/lsah_home1.aspx.

Köszönetnyilvánítás

Köszönjük Dr. Mark Ottnak, a Johnson Űrközpont mikrobiológusának az éleslátó beszélgetéseket. Ezt a munkát a Nemzeti Repüléstechnikai és Űrkutatási Hivatal Humán Kutatási Programjának Űr humán tényezői és lakhatási elemei finanszírozták.

Szerzői hozzájárulások

M.C .: tanulmányi operatív támogatás, eljárások és elemzések, kéziratok elkészítése. M.P .: eljárások és tanulmányi operatív támogatás. G.D .: tanulmányi operatív támogatás, eljárások és elemzések, kéziratok elkészítése.

Megjegyzések

Versenyző érdekek

M.C. a NASA vállalkozója, élelmiszer-tudós, M.P. és G. D. a NASA élelmiszer-tudósai.

Lábjegyzetek

A kiadó megjegyzése

A Springer Nature semleges marad a közzétett térképeken és az intézményi kapcsolatokban szereplő joghatósági igények tekintetében.