综述：为深空任务中的微生物组稳定性和代谢健康设计食品系统

《TRENDS IN FOOD SCIENCE & TECHNOLOGY》：Engineering food systems for microbiome stability and metabolic health in deep-space missions

　　高和奇|尹一舒|叶冠军|彭月初汉|丁忠清|张英春|卢伟宏
哈尔滨工业大学医学院与健康学院食品营养与健康系，哈尔滨，150001，中国

**摘要**
**背景**
未来长期的人类太空飞行将面临复杂的暴露因素，包括微重力、电离辐射、昼夜节律紊乱以及高度加工的太空饮食。为了确保在没有冷藏的情况下多年保持食品的稳定性，目前的太空食品依赖于严格的加工和稳定化策略，这些策略会损害食品结构的完整性，并显著减少微生物可利用的碳水化合物（MACs）。除了简单的营养损失外，这种结构和可发酵底物的减少可能会扰乱饮食-微生物组轴，加剧与太空飞行相关的代谢、免疫和神经行为失调。

**范围与方法**
本文从跨学科的食品科学和技术的角度探讨了深空营养问题，特别关注食品加工、结构设计以及输送系统如何在地球外环境中塑造宿主-微生物组的相互作用。文章对结构食品设计、精准营养输送以及针对微生物组的策略（包括益生菌、合生元和后生物素）进行了深入讨论，并特别关注在任务限制下的工程可行性，如非热保存、微胶囊化、超高阻隔包装、可控营养释放以及未来行星栖息地的自主原位生物制造。

**主要发现与结论**
传统的太空营养策略主要侧重于被动营养补充，不太可能在长期任务中维持代谢和微生物的稳态。因此，需要转向主动的、基于结构的营养工程。通过重建食品结构以实现可控和定位的MACs输送，结合基于时间营养的喂养设计，可以为在太空中维持微生物组功能提供实际框架。在现有的干预选项中，具有加工抗性的后生物素和嵌入生物聚合物的合生元系统因其卓越的稳定性、安全性和在深空环境中的适用性而显得特别有前景。然而，其实施取决于克服加工、封装、包装和自主生产方面的主要食品工程瓶颈。将功能性食品设计与宿主-微生物组精准营养相结合，可以为地球以外的可持续人类探索提供技术和生物学基础。

**引言**
随着人类太空飞行从低地球轨道（LEO）的常规任务发展到长期深空探索任务（如阿尔忒弥斯计划登月和未来的载人火星任务），确保宇航员在整个任务期间的健康和操作效率已成为任务成败的关键决定因素（Valinia等人，2022年）。在深空探索场景中，宇航员不应仅仅被视为人类宿主，而应被视为复杂的整体生物体——与它们所居住的微生物组紧密依赖的共生超级有机体。这种整体生物体不断暴露于多因素的深空暴露环境中，这会引发一系列微生态压力，威胁系统的热力学和代谢稳定性（Siddiqui等人，2021年）。尽管现代航天器的环境控制与生命支持系统（ECLSS）可以有效减轻外部物理环境造成的直接伤害，但宇航员仍不可避免地暴露于多因素的深空暴露环境中（Justiniano等人，2024年）。这包括微重力、高能宇宙辐射、长期隔离和昼夜节律紊乱等经典环境压力因素，以及太空食品系统工程限制带来的长期潜在生理后果（Ramos-Nascimento等人，2023年；Siddiqui等人，2021年）。后者是迄今为止常被忽视的太空营养的一个关键方面（Douglas等人，2022年）。

对于持续3-5年的深空探索任务，太空食品的工程设计面临一个不可避免的悖论：为了实现商业无菌状态、消除食源感染风险，并满足在室温下无需冷链的3-5年超长保质期要求，当前产品通常依赖于极端加工方法，包括高强度热灭菌、高剂量辐照和冷冻干燥。这种工程妥协虽然满足了宇航员的基本热量和宏量营养需求，但在微观层面上，它创造了一个以“微生物耗竭和结构降解”为特征的饮食环境（Al等人，2022年；Guan等人，2024年；赵明，2024年）。极端加工消除了天然食品中环境微生物提供的生理免疫刺激，并导致复杂食品多糖中的共价键断裂，最终导致微生物可利用碳水化合物（MACs）的显著减少（Ayakda? & A?agündüz，2023年；张宁宁等人，2026年）。

太空医学和太空营养领域目前正在经历其基本逻辑的范式转变。以前，太空飞行引起的肠道菌群失调通常被视为环境压力的次要副产品（Gonzalez等人，2024年；Kuang等人，2019年）。然而，越来越多的证据表明，上述缺乏微生物多样性的太空饮食与微重力和宇宙辐射等环境压力因素结合时，会直接扰乱人体肠道微生物组的稳态（Kuang等人，2019年）。这种菌群失调不仅是一个主要的初始因素，还是一个强大的病理放大器，它有效地劫持了宿主的免疫代谢网络，并加剧了由机械卸载和宇宙辐射根本引发的多系统生理衰退（Gonzalez等人，2024年）。具体来说，太空飞行导致的微生物多样性丧失和关键有益代谢物（如短链脂肪酸SCFAs）的减少可能会首先损害肠道上皮屏障的完整性——即增加肠道通透性，通常称为“肠漏”——从而引发慢性低度全身炎症，包括代谢性内毒素血症，并导致宿主免疫和代谢稳态的全身性紊乱（Kuang等人，2019年；Pohl等人，2022年）。此外，菌群失调可能通过微生物组-肠道-大脑轴（MGBA）的代谢重编程引发神经炎症、持续疲劳和认知衰退，从而直接损害宇航员在复杂舱外活动（EVA）和紧急响应程序中所需的核心操作能力（张宁宁等人，2026年）。为了应对这种宿主-微生物组共生稳态的系统性紊乱，传统的以宏量营养供应和单一微量营养素补充为中心的太空饮食设计不足以满足长期深空任务的健康保障要求（Kuang等人，2019年；Tang等人，2021年）。为了从根本上逆转这一病理级联反应，太空营养干预策略必须从“被动填补营养缺口”发展到下一代支持方案，积极建立和维持宿主-微生物组的共生稳态（Voorhies等人，2019年）。精准微生物组干预策略，如益生菌、合生元和后生物素，在多目标调节宿主代谢稳态和缓解与太空飞行相关的多系统损伤方面显示出巨大潜力（Bharindwal等人，2023年；De Arcangelis等人，2025年）。

因此，本文指出了以往太空医学研究的局限性，这些研究主要侧重于临床观察。相反，通过采用涵盖食品科学、微生物代谢调节和肠道微生物组稳态的跨学科视角，系统地、批判性地分析了与深空探索相关的肠道微生物组失调及其相应的基于食品的干预策略。首先，本文系统分析了深空暴露环境中的多种压力因素（特别是缺乏的太空饮食基质）如何重塑肠道微生物组稳态，以及由菌群失调介导的宿主全身代谢和神经免疫功能障碍的级联病理过程。在此基础上，本文进一步提出了下一代兼容微生物组的太空食品的顶层设计原则，特别关注评估尖端食品工程技术（如微胶囊输送系统和高度稳定的后生物素配方）在深空场景中的应用潜力和工程可行性，最终建立了从实验室研究到深空部署的全面、基于证据的转化路线图。本文旨在为未来星际探索的生命支持系统中精准微生物组干预策略的整合和实施提供系统的理论支持和操作技术框架。

**部分摘录**
**深空暴露环境与饮食-微生物组轴的紊乱**
太空飞行环境会扰乱人体肠道微生物组的稳态，从而威胁轨道上宇航员的健康和操作性能（图1）。从生态热力学的角度来看，肠道微生物组通过主动维持肠道微环境中的低熵状态来维持宿主的免疫和代谢稳态（Nickerson等人，2024年）。然而，深空暴露环境的协同攻击——特别是微重力——会破坏这一过程。

**太空飞行引起的菌群失调的营养和全身代谢后果**
肠道微生物群作为重要的生物反应器，将复杂的饮食成分转化为维持宿主生理平衡的生物活性分子。在太空飞行期间，饮食限制和环境压力的共同作用会破坏这一微生物代谢过程。因此，宇航员观察到的全身健康问题不仅仅是孤立的病理现象，而是微生物组介导的营养和代谢失败的下游表现。

**下一代兼容微生物组的太空食品设计原则**
在长期载人深空任务中，主要的健康挑战已从确保基本生命支持转变为维持宿主与其微生物组之间的长期共生稳态。前述讨论系统地表明，当前太空饮食的不足是导致菌群失调和相关代谢损伤的主要原因（Kuang等人，2019年）。然而，如果基础太空食品基质无法提供必要的支持……

**精准微生物组干预：益生菌、合生元、后生物素和心理生物素**
上述提出的兼容微生物组的太空食品设计通过食品基质重塑、时间营养和个性化营养分配来维持肠道微生物组的稳态（Voorhies等人，2019年）。然而，当宇航员在长期任务中经历急性菌群失调、免疫抑制、胃肠道屏障功能障碍或个体特定的代谢脆弱性时，仅靠基础饮食设计可能不够（Bharindwal等人）。

**深空部署的食品工程和输送技术**
将先进的微生物组干预从理论概念转化为可用于任务的操作载荷需要克服巨大的食品工程挑战。深空栖息地的极端环境限制要求将精准营养无缝集成到稳定、可靠且资源高效的输送系统中，并通过严格的临床前和操作平台进行验证（图4）。然而，这些技术的可行性尚无法评估……

**转化路线图：部署前的证据要求**
将针对微生物组的太空食品系统从概念性食品设计推进到实际太空飞行部署需要一个分阶段和基于证据的转化框架（J. Liu等人，2026年）。目前，太空营养的发展受到碎片化实验模型和未解决的运营及监管要求的限制。因此，评估路径应从地面机制筛选和人类模拟验证开始，逐步推进到低地球轨道……

**结论**
随着人类逐渐向多行星物种转变，太空食品的概念必须经历根本性的范式转变，从被动的热量输送系统发展为能够精确维持微生物组的架构。在深空环境中，多维度的暴露因素（包括生理适应、宇宙辐射和独特加工的饮食）会系统性地扰乱饮食-微生物组轴，从而导致退行性改变。

**作者贡献声明**
高和奇：撰写-原始草稿、概念化、可视化。尹一舒：撰写-审阅和编辑。叶冠军：概念化、监督。彭月初汉：形式分析、调查、可视化。丁忠清：形式分析、可视化。张英春：调查、形式分析。卢伟宏：撰写-审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究得到了河南省科技研发计划联合基金（工业类）重大项目（项目编号255101610001）、中国科学技术部国家科技基础资源调查专项（项目编号2024FY100600）、黑龙江省自然科学基金（项目编号ZL2024H015）以及中央高校基本科研业务费（项目编号HIT.DZJJ.2026068）的支持。