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精准营养与生物制造技术助力长期太空食品自主化，应对微重力、辐射等环境挑战及宇航员代谢、免疫等生理变化，通过AI和数字孪生实现动态营养调控与闭环生产，突破地球供给依赖。
刘俊丽|曾德勇|胡碧春|王卫平|胡帅民|亚历杭德罗·西富恩特斯|廖国建|龙梦飞|赵海天|卢卫红
哈尔滨工业大学医学与健康学院食品科学与工程系，中国哈尔滨150000
摘要
长期太空飞行由于微重力、辐射、封闭环境以及昼夜节律紊乱等因素，带来了独特的生理和营养挑战。这些压力因素改变了能量代谢、骨骼和肌肉的稳态、免疫反应以及肠道微生物群的组成，导致营养吸收受损和氧化失衡。传统的地球饮食模型无法应对这些复杂的相互作用，因此需要结合可持续的现场食品生产系统来制定精确的营养策略。本文综述了精准营养和食品生物制造技术的最新进展，这些技术旨在实现太空中的自主生命支持。文章概述了太空条件下营养需求的生理基础，介绍了集成监测和人工智能（AI）驱动的营养反馈系统的出现，以及微生物、植物和细胞制造平台在生产功能性营养素中的作用。分析强调了宇航员之间能量和物质流动的耦合，光合生物反应器与异养生物反应器的整合，以及数字孪生技术在预测系统调节中的作用。精准营养为个性化饮食调节提供了计算框架，而生物制造则提供了在封闭生态系统中生产营养素的技术手段。多组学传感、智能建模和自适应生物反应器的结合使得可以根据个体生理状态实时调整营养供应。尽管取得了进展，但在长期反应器稳定性、生物安全治理和多物种共培养控制方面仍存在挑战，部分原因是当前大多数系统仍基于地球上的成本-收益指标进行优化，而深空部署则迫切需要系统的鲁棒性、容错能力、自主修复能力和长期生态稳定性。未来的太空营养系统将越来越多地依赖AI引导的自调节生物制造，从而将食物从消耗性资源转变为人类在地球以外生存的再生性和智能化组成部分。
引言
随着人类太空任务的推进，太空探索正从短期访问转向长期居住，包括国际空间站（ISS）的持续运行、月球基地建设、火星探险以及潜在的深空任务。长期任务对资源利用、生命支持以及生理和心理健康维护系统提出了高要求。在这些因素中，食物和营养不仅是能量的来源，更是决定宇航员健康、表现和任务成功的关键因素（Barbero Barcenilla等人，2025年）。
太空食品系统主要依赖于地球上预先准备好的、预包装的、冷冻干燥或脱水的食品，这些食品适用于长期储存，定期补给任务为轨道平台和空间站提供能量和营养。这种模式对于短期、近地轨道（LEO）任务来说是可行的；然而，随着任务持续时间的延长，补给频率降低，水资源、能源和居住空间等资源变得越来越有限，传统补给方式的局限性日益凸显。例如，有限的菜单选择常常导致饮食疲劳，从而减少食欲和营养摄入（Douglas等人，2025年）。确保微量营养素的稳定性仍然是一个问题，因为长时间储存或加工可能导致热不稳定化合物（如维生素C、维生素B12和多不饱和脂肪酸）的降解（Cooper等人，2017年）。同时，太空环境对人类身体产生复杂而深远的影响，包括骨密度下降、肌肉萎缩、体液重新分布、免疫抑制以及氧化和辐射损伤。这些变化会改变能量和宏量/微量营养素的需求，使得传统饮食难以满足实际的生理需求，可能导致营养不足或失衡（Costa等人，2021年）。许多飞行和地面模拟研究表明，宇航员的实际能量摄入量经常低于预测水平，伴随着体重减轻和肌肉骨骼损失（Smith等人，2001年）。在微重力环境下，关键氨基酸和抗氧化代谢途径（如谷胱甘肽合成和牛磺酸代谢）会失调，表明营养状况与身体对抗代谢压力的能力之间存在脱节（Dickerson等人，2023年）。此外，长期任务还常常导致维生素D和K、微量元素及抗氧化能力的下降（Chaloulakou等人，2022年）。综上所述，深空营养的核心挑战不仅仅是提供稳定的食物供应，而是在不断变化的生物和环境条件下维持营养充足性和生理韧性。
至关重要的是，个体在遗传背景、代谢特征和生理反应方面存在显著差异，导致对太空环境的反应各不相同（Guo等人，2025年）。这种异质性意味着基于群体的统一饮食模型无法充分满足宇航员在延长任务中的动态健康需求。因此，开发能够实时感知、预测和个性化响应的营养策略不仅是必要的，也是维护机组人员健康和确保深空任务成功的必要条件。在资源极度有限和补给计划严格的条件下，减少对地球补给的依赖，同时提高食品系统的自给自足能力和适应性的营养灵活性变得至关重要。合成生物学、微生物工程、细胞农业以及三维（3D）打印等食品结构技术的最新进展为现场营养合成和新型食品生产提供了可行的途径（Graham & Ledesma-Amaro，2023年；Que等人，2025年）。这些技术能够高效地将碳源和废物转化为营养化合物，降低成本和对地球资源的依赖。同时，人工智能（AI）和数字孪生（DT）技术的整合将个体生理数据和多组学信息与生产系统联系起来。AI可以从多模态数据集中学习，预测营养需求并动态调节生物反应器的运行，从而实时生产个性化的太空饮食（Pannico等人，2022年）。在这种背景下，太空营养可以被构建为一个综合的、活的系统，通过智能生物制造和数据驱动的调节，动态耦合宇航员的生理状况、微生物组和封闭的生态环境。
基于这一系统层面的视角，本文重点探讨了生物制造和AI技术如何在太空任务中实现个性化营养。它总结了太空环境引发的主要营养挑战和生理适应机制，探索了航天学中精准营养的科学基础和技术路径，并强调了微生物、植物和细胞制造平台在实现可持续封闭循环食品生产方面的潜力。通过整合AI驱动的监测和控制框架，本文设想了一种从静态补给向动态、适应性和自维持的太空食品生态系统的范式转变，为未来人类深空探索中的营养自主性提供了科学和技术基础。
为了进一步将这些技术路径置于任务场景中，我们提出了一个太空食品系统的自主性层次模型，该模型根据食品生产策略与地球供应和运营控制的独立程度进行分类，从L0（完全依赖地球提供的预包装食品）到L5（通过封闭循环生物制造、现场资源利用和自适应系统调节实现的外星自给自足）（表1）。该模型整合了三个核心维度，包括资源依赖性、营养和物质循环的闭合性以及生理-生产的耦合性，以在统一的系统框架内定位和比较当前和新兴技术。
章节摘录
太空食品的发展和现状
食物是宇航员生命支持的基本组成部分，其设计和供应系统随着人类太空飞行的发展而演变。从“水星”和“双子座”计划到国际空间站，以及为深空任务做准备，太空食品系统经历了多次转变，从以生存为导向的模式发展为同时关注营养充足性、感官满足度、心理健康和个人偏好的模式。
宇航员特定的环境和营养需求
太空环境与地球有根本不同，对人类身体产生复杂而多维度的影响。即使是被严格挑选且身体健康的宇航员，在长期任务中也会因微重力、辐射暴露、封闭环境和隔离等因素而经历显著的生理和代谢变化。
个性化营养调节系统和数字支持
太空个性化营养的总体目标是通过整合个体的遗传、表型、医疗和营养信息，来维持或促进宇航员的健康，从而实现更精确的饮食指导和定制的营养干预（Ordovas等人，2018年）。随着太空生命科学数据和AI的快速发展，开发一个结合多维度监测、预测建模和反馈驱动生产的封闭循环系统已成为重点。
实现精准营养的生物制造技术
为了应对长期和深空任务中的营养、心理和操作挑战，其中食品多样性、自主生产和长期健康维护至关重要，精准营养的实现必须依赖于先进计算决策系统与灵活生物制造技术的整合。研究人员正在积极探索多种替代食品来源，包括植物、藻类、昆虫和微生物。
资源回收和生物再生生命支持系统
在长期太空任务中，任何精准营养策略的可行性都取决于其与高效封闭循环资源系统的兼容性。自20世纪50年代末以来，科学家们一直在研究生物再生生命支持系统，即封闭生态生命支持系统（CELSS）。这些系统旨在实现水、氧气、营养素和废物的连续回收。
结论与展望
长期太空飞行涉及生物、技术和环境压力的复杂相互作用，远远超出了传统营养范式的范畴。本文回顾了从描述太空引起的生理变化（包括肌肉和骨骼损失、免疫调节、氧化应激和微生物群失调）到基于精准营养和生物制造技术制定适应性营养框架的发展历程。
CRediT作者贡献声明
刘俊丽：撰写——原始草稿，可视化，数据整理，概念化。曾德勇：撰写——原始草稿，监督，方法论，资金获取。胡碧春：可视化，监督。王卫平：验证，监督。胡帅民：可视化，调查，数据整理。亚历杭德罗·西富恩特斯：概念化。廖国建：资源获取，调查，概念化。龙梦飞：软件，形式分析。赵海天：验证，调查。卢卫红：
资金来源
本研究得到了中国重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-MSX0863、CSTB2024NSCQ-MSX0462）和中国黑龙江省头雁团队的支持（项目编号：HITTY-20190034）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
