:::

產業技術評析

解構太空食品開發背後隱含的食品科技重點
發表日期:2023-05-31
作者:徐郁婷、陳怡文、陳麗婷(食品所)
摘要:
本文將透過美國航空暨太空總署(NASA)及加拿大太空總署(CSA)聯合進行的太空食品競賽(Deep Space Food Challenge),從中探討太空食品設計研發及創新的思維動態,供各界借鏡參考。

全文:

食品科技發展與人類的太空計畫有著密切的關連,不論1960年代冷凍乾燥技術的發展,或近年各國從事太空計畫紛紛帶入各自的沙拉、拉麵、壽司、泡菜、羅宋湯及咖啡機等餐食及設備,突顯及交流各自飲食文化。太空食品指為太空人在太空中食用而創造的食品,須具備營養均衡,在失重且充滿機械的太空船可安全且便利的儲備與食用。隨航太技術發展成熟,太空旅行的目的從探索未知領域擴大為休閒、旅行或居住等多元面向發展。各國紛紛加大對太空食品研發的投入,不論美國航空暨太空總署(NASA)或日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)等,對太空食品研發的角度,有別過去著重食品易保存儲藏及營養,轉向在有限太空艙空間達到100%糧食自給的永續糧食生產模組建構。同時讓食品等廠商加入共同開發,共同為未來長途太空旅行做準備,也讓食品科技的突破與商機的拓展,正向並行且推進。為理解國際太空食品發展思維及其背後隱含的食品研發解題重點,本文將透過美國航空暨太空總署(NASA)及加拿大太空總署(CSA)聯合進行的太空食品競賽(Deep Space Food Challenge),從中探討太空食品設計研發及創新的思維動態,供各界借鏡參考。

一、太空食品競賽背景及動態掃描

從原料取得、技術開發、加工製程、資源配置及食品安全等微型糧食生態圈發想,開發適合未來太空,同時也可解決地球極端環境變化及糧食短缺等問題,成為近年太空食品創新及未來市場開創的重要思惟。美國NASA與加拿大CSA 2021年開始針對太空食品的創新研發進行合作,2021年1月共同舉辦太空食品競賽,設立共同的評選標準,同時各別開展階段式的甄選,包括第一階段著重研發設計概念提案,第二階段著重創新概念的實體化呈現及效益價值。

太空食品競賽的舉辦,共吸引來自32個國家超過300多個團隊參與新一代太空食品設計。競賽評選的標準包括:(1)需支援4名太空人,為期三年太空旅行所需的糧食,(2)可應用於地球都市或極地環境生產,(3)以最少資源投入,創造最大糧食產量,(4)短時間可製造美味、安全且營養的食品。2021年冬季公布的第一階段入選名單,包含美國、加拿大及國際共38支團隊;2023年春季公布第的二階段入選名單共15支團隊。截至目前,太空食品競賽仍在進行,美國尚未決議第三階段競賽的時間,加拿大則預計在2024年春季公布最後決賽優勝者。

二、太空食品研發思維及解題點

分析獲美國NASA或加拿大CSA個別或共同青睞的入選團隊,歸納其在太空食品創新開發的重點構面及技術亮點如表1至表3。相關創新發想,皆從破除限制出發,提供解決方案。

1.空間有限,糧食供應設計要精簡好用:

從太空艙空間有限問題著手,食品新創透過食品加工製成及硬體設備等創新解題。如美國新創Space Bread研發太空麵包,將麵糰注入聚全氟乙丙烯(FEP)的袋內發酵及烘烤,FEP袋耐熱溫度範圍-200℃至200℃,可作為發酵及烘烤功能的載體,節省發酵箱及烤箱備置空間。美國新創Project MIDGE設計模組化的充氣動態環境箱(Modular Inflatable Dynamic Growth Environment),箱內六面皆可種植蔬果且操作方便,最大化種植空間使用率。

2.極端環境,循環模式須互惠共生:

面對高輻射、極端溫差、微重力及資源有限等封閉環境限制,可永續生產的系統需克服溫度及重力等挑戰。如加拿大University of Guelph設計密閉式植物水耕生長室,附設環境溫控及LED照明系統,可即時監控空氣循環、溫度及二氧化碳含量。此外,菇蕈吸收植物進行光合作用所排出的氧氣,釋放二氧化碳提供植物生長,形成微型生態循環系統,克服微重力、極地或高度都市化地方,新鮮蔬果種植的限制。

3.能源有限,實現廢棄物資源化:

外太空與地球的氣壓、溫度、地心引力等環境條件不同,但能源有限的侷限性一致。美國Air Company研發碳轉化技術,可蒐集太空人呼吸排出的二氧化碳製成酒精,提供酵母生長,生產單細胞蛋白質,製作蛋白質奶昔。美國康乃爾大學研發的BigRedBites綜合食品系統,運用最少的水、土壤及肥料,生產藍綠藻、酵母、植物和菇菌,每個子系統產出的廢棄物,再回收提供不同子系統利用,連續且永續種植更多的可食用植物,降低對外部能源的依賴及避免太空廢棄物產生。

4.資源短缺,可快速增生的替代蛋白具高潛質:

食品種類及儲備量多、複雜;競賽本身需供應4名太空人三年所需的儲備食品。資源及儲備條件有限下,替代蛋白以其為高經濟循環的原料受矚目。加拿大新創Canacompost研發設計黑水虻回收生產系統,以廚餘餵養黑水虻幼蟲,將廚餘分解為堆肥,幼蟲長大後交配及產卵,孵化成蟲;九成的黑水虻幼蟲加壓去脂及加熱乾燥製成食物原料,一成黑水虻幼蟲作為下一批飼育原料,提供永續且循環量產的經濟效益。
 

表1.美國太空食品競賽入選團隊及其特色亮點
開發構面 廠商名稱 技術亮點
細胞培養 Deep Space Entomoculture 將乾燥的昆蟲細胞送到太空中激發,並進行後續培養,最終形成替代肉產品。
Hefvin 從培養基中培養水果細胞,並將其封裝至類似漿果的結構中。
Mission: Space Food 使用細胞低溫保存並透過生物反應器生成培養肉。
連續生產 Kernel Deltech 開發低重力條件仍可以運作的真菌連續培養技術。
Space Lab Café 可以少量的水、電、時間,連續生產各種營養豐富農產品的系統。
乾燥原料加工 BeeHex 將食品原料脫水乾燥達到保存效果,需要時透過3D列印製造食物。
Bistromathic 透過擠壓方式將營養粉末製成具備質地口感的食物。
加工器具開發 SATED Boulder 可於低重力環境下運作的烘烤系統。
Astra Gastronomy 建構微藻生長、採收、烘烤成型的產線,最終製成酥脆的零食。
Space Bread 開發多功能塑膠包裝,將麵包原料存放於其中,需要食用時可加入水攪拌,並連袋一同放入烤箱烘烤。
模組化循環系統 BigRedBites 生產藍藻、酵母、植物、菇蕈的4個子系統相互運用廢棄物產生養分,形成共生系統。
Cosmic Eats 由生產藻類、真菌、植物的三個模組組成,可後續加工成玉米片或冰沙。
Interstellar Lab 開發模組化生產系統NUCLEUS,包含空氣流通與水淨化系統,生產蔬菜、菇蕈和昆蟲。
Far Out Foods 創建Exo-Garden,可生產菇蕈與蔬菜的循環系統。
Mu Mycology 可循環、模組化的菇蕈栽培系統,可連續生長和收穫各種食用真菌子實體。
SIRONA NOMs 可種植與飼養水果、蔬菜、草藥和魚類的系統。
Project MIDGE 模組化的垂直農場。
RADICLE-X 導入智慧系統的模組化種植,透過專利的混合水力技術,使用少量的水、能源和時間提供最大的產量。
變換營養物質 µBites 以塑膠和生物質廢棄物作為碳源,培養微生物。
Air Company 捕抓太空人呼出的二氧化碳,與氫氣結合產生酒精,提供酵母製造蛋白質、脂肪和碳水化合物。
Nolux 開發人工光合作用系統,生產真菌與植物原料。
InFynity 開發可在太空與地球上運作的生物反應器,培育真菌蛋白。

資料來源:Deep Space Food Challenge,食品所ITIS團隊分析整理(2023/05)
 

表2.加拿大太空食品競賽入選團隊及其特色亮點
開發構面 廠商名稱 技術亮點
昆蟲 Canacompost Systems 整合的自動化系統Outpost,可透過黑水虻分解有機物質、產生蔬菜肥料與牲畜飼料,並做為酥脆的點心零食。
McGill University 建置蟋蟀培養系統,提供殘渣處理與產生蛋白質食品。
藻類 McGill University 建置光生物反應器以培養微藻,透過離心取出後,可將其轉化為食品。
AlgaBloom International Ltd 開發藻類培養系統,具節水、節能優勢。
Noblegen Inc. 建置裸藻培養系統。
蔬果 Ecoation Innovative Solutions Inc 建造室內生長系統,可生長番茄、真菌等。
University of Guelph 建造室內生長系統,可生長番茄、生菜等蔬果。
PeaPod Technologies Inc 建置可遠端控制的室內生長系統。
酵母 Concordia University 開發可於太空生長的酵母AstroYeast,由酵母生產營養物質後組成酵母醬。

資料來源:Deep Space Food Challenge,食品所ITIS團隊分析整理(2023/05)
 

表3.國際太空食品競賽入選團隊及其特色亮點
開發構面 廠商名稱 國家 技術亮點
微生物 Solar Foods 芬蘭 使用氣體發酵來生產單細胞蛋白質。
Electric Cow 德國 透過微生物3D列印將二氧化碳和廢棄物轉化為食物。
植物 Mycorena 瑞典 開發混合微藻和真菌的循環生產系統,可以少量資源進行生產,且僅產生少量廢棄物。
JPWORKS SRL 義大利 生產高營養的植物與植物幼苗,使食物可以快速提供。
LTCOP 巴西 透過控制萜烯豐富肥力與植物營養。
Team π 印度 開發植物耕作方法,具有自我維持系統穩定的能力。
混合養殖系統 AMBAR 哥倫比亞 開發水生與陸生植物共生的多功能培育系統。
Natufia x Edama 沙烏地阿拉伯 開發室內養殖技術,集結水培、堆肥、大型藻類養殖等系統。

資料來源:Deep Space Food Challenge,食品所ITIS團隊分析整理(2023/05)
 

5.特殊飲食,營養及健康能精準供應且多樣:

太空人長期處高輻射及微重力環境,有健康、豐富營養及多元的飲食供應可能,是維持身心靈健康的重要關鍵。過去太空食品較受環境及技術所限制,食品以低水分或小包裝等為多,質地、口感及風味受侷限,長期高輻射保存環境,營養成分逐漸流失。加拿大Alga Bloom設計生物膜生長平台(Biofilm-based Growth),高密度、低水分環境可培養可編程的微藻,藉由微藻可塑性高的特性,製成奶昔、果醬、義大利麵、穀片等不同營養成分、形狀、香氣及質地的食品,隨時在太空供應新鮮營養餐點。

三、太空食品研發主題及技術重點

解構國際團隊投入太空食品開發的面向,基本可區分為開發太空可自給自足的生長原料,及在太空中進行食品加工的兩階段。太空中在可自給自足的原料開發類別,著重昆蟲、藻類/植物及真菌與酵母等微生物的開發;透過原料生長過程養分需求的差異,達到循環效果。食品加工部分多透過食材特性、精準器具設備等運用,提供太空過程飲食的健康營養及多變性。

(一)開發可自給自足的原料或供應系統是根本

1.昆蟲:

昆蟲含豐富蛋白質,可作為太空飲食蛋白質的重要補充。分別為雜食性昆蟲及腐食性昆蟲的蟋蟀與黑水虻成為參賽團隊的重點選擇,主要與其可協助處理動植物性殘渣等廢棄物,轉化為蛋白質成分有關。如加拿大McGill University團隊的蟋蟀培養系統透過食物廚餘餵養蟋蟀,作為在太空的蛋白質原料;以紫外光和真空系統嚴格管制蟋蟀活動空間與太空人活動空間的空氣流動,避免交叉污染,保障人員安全。美國Interstellar Lab開發模組化生產系統,區分蔬菜、菇蕈和昆蟲的可食與不可食等差異,不可食部分作為培養昆蟲的養分,昆蟲呼吸產生的二氧化碳亦回流蔬菜生長系統,創造循環效果。

2.藻類/植物:

藻類與植物是微量元素、纖維素補充的重要管道,可透過光合作用生長。參賽團隊多致力開發人工光源,或為土壤效力提供替代方案,強化原料應用至加工系統的模組開發。如加拿大McGill University團隊建置節能照明的光生物反應器以培養微藻,產生可食用的凝膠成分。加拿大PeaPod開發可遠端控制的自動化植物生長設備,確保植物生長養分與速度。

3.真菌:

真菌生長不需陽光、可分解有機物質作為養分,亦是參賽團隊聚焦的熱門原料;尤其是絲狀真菌和酵母菌。絲狀真菌結構有咀嚼感,酵母有可食與可基因編輯特性,可生產多元營養食品。如芬蘭Solar Foods以電力將空氣的水分分解成氫和氧,加上空氣的二氧化碳和氮,提供微生物生長養分;生長水中微生物變稠後乾燥,即為富含蛋白質的成分Solein。加拿大Concordia University則開發可於太空生長的酵母AstroYeast,精準發酵產製多樣營養成分。

(二)加入精準好用的設備擴大多樣性

運用可能的原料及資源條件,轉動太空食品加工最大的生產價值,精準多功好用很重要。如在太空吃麵包的情境與體驗實踐,透過原FEP多功能塑膠包裝的功能放大,整入器具及發酵等角色,讓包材可分裝可烘烤,變化新可能。加入細胞培養及生物反應器等的開發應用,讓原料生長、營養等可精準監控及再加工。加入3D列印應用,不論原脫水乾燥的原料復水,或來自於微生物轉化為食品原料,不同質地及型態的多元原料,都可即時客製轉化為太空需求的食品,滿足營養、口味、質地及不同飲食情境。

四、未來生態發展向多元科技連結借力

1.食品科技角色突顯且多方貫通:

運用科技創建更好、更適合未來環境的新飲食生活,是近年食品生態變革被期待的重點;全球創新食品生態圈的發展與進化,正全盤從食材開發、生產、配送到下游餐飲、家庭運用及跨業融合等各角度,創建具質感、綠色、智慧且具穩定供應韌性的美好新飲食生活,滿足消費者「好吃」、「吃好」且「持續吃得到」的三大飲食需求。太空食品競賽等太空食品開發,設定情境雖是太空,但考量資源稀缺、健康營養、飲食多元愉悅及個人化需求差異,科技解題方向一致。不論太空宇宙食、極端環境食、災害食、介護食或高齡食等,相關成果及新發現可融合應用;食品科技邁大步的現在及未來,值得期待。

2.科技落實且效益放大,仰賴階段性商業化及商模給力:

太空食品商機不會只存在於未來。全球宇宙太空新商機受矚目的發展環境,相關技術或產品階段性的商業化實現與落地應用,對資金、技術或食品設計體驗修正等都具有正面滾動的價值效益。除美國及加拿大投入的太空食品競賽,積極投入宇宙航空研究開發的日本,近年也將條件情境及問題痛點有重疊的災害食,與宇宙食開發連結。如日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)2019年開始推動BOSAI SPACE FOOD(防災宇宙食)計畫,推出第一款產品BSF1.0(儲備果凍),訴求產品可保存5年,提供熱量、營養補充及享用甜食的滿足感;提供「宇宙日本食」標章供食品企業申請,加入各式太空食品開發。臺灣食品與國際太空食品生態圈的連結,未若日本;但在重視植物及微生物資源的充分應用,從潔淨及永續的角度強化多元替代食材布建的思維相同。創新且具設計思惟的腦力及商業模式,可創造持續活絡的巿場,為階段性科技發展提供強大的支援力量。
 

(本文作者為食品所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


* 點閱數176
更新日期:2020-04-08

回上一頁 回首頁