文/李冀舒 劉軍 馬廷偉

關(guān)鍵字：草莓；冷鏈；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；智能傳感器

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)國(guó)民生活質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的飛躍，吃飽已不是人們關(guān)注的重點(diǎn)，綠色、安全、新鮮的食品更受廣大消費(fèi)者的青睞。城鎮(zhèn)居民的食品消費(fèi)支出中，易腐食品的消費(fèi)已占51%[1]，但是食品運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，食品在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生變質(zhì)腐爛也成為食品安全的一大隱患[2]，國(guó)家對(duì)此也十分重視[3]。

草莓屬薔薇科，草莓屬于多年生草本植物，其果實(shí)色艷形美，果肉柔軟多汁，果味酸甜爽口，具有特有的濃郁芳香味，是一種營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高且為人們所喜愛(ài)的應(yīng)季鮮果之一，被人們譽(yù)為“水果皇后”。草莓富含碳水化合物、維生素、礦物質(zhì)、有機(jī)酸及果膠等多種營(yíng)養(yǎng)成分，尤其是VC含量豐富，100g果肉高達(dá)35mg[4]。但是，草莓果實(shí)含水量高達(dá)90%，組織嬌嫩，非常容易失水，表皮易受到機(jī)械損傷造成病菌的侵襲導(dǎo)致腐爛變質(zhì)，因此草莓是最易腐爛的農(nóng)產(chǎn)品之一，如何保證新鮮草莓冷鏈運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量一直是困擾企業(yè)主們的難題。

2.草莓品質(zhì)變化機(jī)理分析

2.1.溫度影響

新鮮草莓采摘后其內(nèi)部的生物和化學(xué)過(guò)程仍在繼續(xù)，呼吸作用產(chǎn)生熱量、二氧化碳的同時(shí)也會(huì)加快草莓的成熟，導(dǎo)致其顏色質(zhì)地發(fā)生變化，更易受到霉菌的侵襲[5]。因此，如何保證草莓在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中適宜的溫度及其穩(wěn)定性是草莓保鮮的關(guān)鍵問(wèn)題[6]。草莓最佳保存溫度為0.5℃，適宜的溫度可以保證草莓的感官和營(yíng)養(yǎng)等級(jí)，例如維生素C在每天溫度為2℃時(shí)損失達(dá)到10%；然而，當(dāng)在20℃的溫度下儲(chǔ)存時(shí)，維生素C損失可以增加到每天超過(guò)50%，溫度的波動(dòng)對(duì)草莓也有較大影響[7]。

2.2.濕度影響

草莓貯藏的最佳相對(duì)濕度為90%～95%，相對(duì)濕度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)影響草莓冷鏈運(yùn)輸?shù)钠焚|(zhì)。相對(duì)濕度過(guò)高時(shí)，微生物的繁殖將會(huì)加快，當(dāng)水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)，或者環(huán)境中的溫度變化較大時(shí)，易產(chǎn)生凝結(jié)水，使草莓發(fā)生腐敗變質(zhì)；而相對(duì)濕度低時(shí)，蒸發(fā)速度將加快，使草莓失水，表皮皺縮，光澤消失，口感變差，不宜食用[7]。草莓果實(shí)在相對(duì)濕度為95%時(shí)，可以降低草莓的重量損失，保持甚至增加草莓的硬度[8]。雖然草莓的最佳儲(chǔ)存溫度為0.5℃，但是增加存儲(chǔ)環(huán)境的相對(duì)濕度可使草莓在10℃的環(huán)境下保持可接受的銷售狀態(tài)。

2.3.壓力影響

由于草莓表皮組織嬌嫩，易受壓力的影響，因此，壓力也可以作為草莓品質(zhì)變化的因素之一。斯坦利·P·伯格博士在1966～1967年于美國(guó)發(fā)明了減壓貯藏（hypobaric storage，LP）技術(shù)[9]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知[10]，在草莓貯藏過(guò)程中相對(duì)濕度應(yīng)保持在95%～98%，溫度控制在（-1～13.3）±0.2℃，當(dāng)壓力為（1.33～2.67）±0.067kPa時(shí)，空氣交換率為每小時(shí)0.3～1次/小時(shí)，氣體中的氧氣、二氧化碳、乙烯以及揮發(fā)性污染物質(zhì)濃度減少了99%，明顯降低草莓的新陳代謝速率，若在常壓環(huán)境下需進(jìn)行空氣交換，需要消耗大量的制冷量。在低壓狀態(tài)下氧氣濃度較低，當(dāng)氧氣濃度降低到0.1%～0.3%時(shí)，可以有效地抑制好氧細(xì)菌和真菌的生長(zhǎng)，減緩腐敗的速率[11]。低壓環(huán)境下，害蟲(chóng)蟲(chóng)卵的成長(zhǎng)也會(huì)受到抑制。如圖1所示，在10℃的環(huán)境下，普通冷藏草莓的貯藏天數(shù)為7天，氣調(diào)冷藏的貯藏天數(shù)為10天，且失去草莓的口味，減壓冷藏的貯藏天數(shù)為21天。

圖1 草莓貯藏方式貯藏天數(shù)對(duì)比（單位/天）

如圖2所示，溫度過(guò)低會(huì)造成結(jié)晶、凍害；溫度過(guò)高草莓有機(jī)物分解過(guò)快，造成草莓品質(zhì)下降；濕度過(guò)低草莓失水嚴(yán)重，表皮皺褶影響銷售；濕度過(guò)高霉菌滋生，發(fā)生腐敗。降低壓力可以作為一種增強(qiáng)保鮮效果的手段。綜合以上三點(diǎn)，控制好草莓在途運(yùn)輸中的溫度，濕度加之減壓貯藏的應(yīng)用，將會(huì)減少草莓在運(yùn)輸在途新鮮度的損失，從而保證草莓運(yùn)輸途中的質(zhì)量。

圖2 環(huán)境參數(shù)對(duì)草莓品質(zhì)影響

3.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1.冷鏈發(fā)展?fàn)顩r

草莓的最佳保存環(huán)境是保存在接近零度但不結(jié)霜的冰箱，所以采用冷鏈運(yùn)輸鮮摘草莓是目前主流的方式。冷鏈起源于移動(dòng)制冷，移動(dòng)制冷由創(chuàng)立Thermo King公司的Frederick McKinley Jones于1940年發(fā)明[12]，一經(jīng)問(wèn)世便受到各大企業(yè)的青睞，并不斷完善冷鏈運(yùn)輸?shù)捏w系，建立起從采后預(yù)冷、分級(jí)包裝、氣調(diào)貯藏和冷鏈運(yùn)輸?shù)囊?guī)范方法。美國(guó)冷鏈將發(fā)達(dá)的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，明確的環(huán)節(jié)分工，先進(jìn)的電子技術(shù)作為自己發(fā)展的方向，用來(lái)提高冷鏈網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減少運(yùn)輸途中的成本與損失。Jean～Paul Rodrigue博士和Theo Notteboom博士從經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度指出，冷鏈?zhǔn)乖S多發(fā)展中國(guó)家能夠作為生產(chǎn)者或消費(fèi)者參與全球易腐產(chǎn)品市場(chǎng)，是經(jīng)濟(jì)全球化必不可少的一部分[13]。

與國(guó)外相同，對(duì)于草莓這種易腐類水果我國(guó)也采用冷鏈運(yùn)輸作為主要方式，但是起步較晚，在20世紀(jì)50年代，為保證易腐農(nóng)產(chǎn)品的進(jìn)出口需求，才開(kāi)始著力發(fā)展，但是由于技術(shù)水平的限制僅僅停留在零散的冷藏倉(cāng)庫(kù)和改裝冷藏車的水平，沒(méi)有形成完整體系，導(dǎo)致我國(guó)蔬菜采摘損失率達(dá)到25%～30%。直到20世紀(jì)八十年代改革開(kāi)放的到來(lái)和1982年頒布的《食品衛(wèi)生法》直接推動(dòng)了我國(guó)水果冷鏈物流業(yè)的發(fā)展。2001年成立中國(guó)物流采購(gòu)聯(lián)合會(huì)，同年中國(guó)加入WTO，世界范圍的貿(mào)易增加，促使我國(guó)冷鏈物流得到質(zhì)的飛躍。2008 年，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到1.35萬(wàn)億元，每年以26%的速度增長(zhǎng)[14]。如今全國(guó)冷鏈依然存在著全國(guó)發(fā)展不均衡、配套基礎(chǔ)設(shè)施差、缺乏統(tǒng)一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)、信息不透明、上下游聯(lián)系不緊密的核心問(wèn)題[15]。

3.2.國(guó)內(nèi)外冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方法

為了增強(qiáng)草莓在冷鏈運(yùn)輸中的透明性，針對(duì)草莓的變質(zhì)機(jī)理，本文研究了相似易腐食品冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方法。

E.Abad博士使用RFID智能標(biāo)簽應(yīng)用在食品的實(shí)時(shí)可溯性冷鏈監(jiān)控[16]。以E.Abad博士的研究為例，將集成光、溫度、濕度傳感器、微控制器、存儲(chǔ)芯片和低功耗的RFID發(fā)射天線的智能標(biāo)簽附加在待跟蹤產(chǎn)品上，這些智能標(biāo)簽可以實(shí)時(shí)記錄食品在冷鏈運(yùn)輸中的狀態(tài)。通過(guò)驗(yàn)證，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)溫度數(shù)據(jù)記錄器相比擁有更好的可重用性，降低人工成本，使冷鏈運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程更加安全可靠。國(guó)內(nèi)學(xué)者徐書(shū)芳提出使用車載終端和監(jiān)測(cè)中心組成冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[17]。車載終端由中央控制器、GPS定位模塊、GPRS無(wú)線通信模塊和RFID電子標(biāo)簽構(gòu)成，完成對(duì)在途運(yùn)輸車內(nèi)環(huán)境信息的采集、處理、分析功能。監(jiān)測(cè)中心由于接收處理傳感器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)頁(yè)端顯示溫濕度和定位數(shù)據(jù)。

Lin Qi和Mark Xu提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成冷鏈保質(zhì)期決策系統(tǒng)[18]。該系統(tǒng)將最小貨架壽命率（LSFO）庫(kù)存策略與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，無(wú)縫采集了整個(gè)鏈條的信息流，為冷鏈企業(yè)制定智能LSFO策略，該策略可以降低易腐食品運(yùn)輸途中質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)的損失。Xiao X開(kāi)發(fā)了一種基于WSN與壓縮發(fā)送（CS）相結(jié)合的水產(chǎn)品溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（MS-FCAP）[19]。該系統(tǒng)意在解決傳統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)傳輸繁重導(dǎo)致通信系統(tǒng)過(guò)載的問(wèn)題，MS-FCAP主要通過(guò)稀疏采樣、數(shù)據(jù)重建以及運(yùn)輸產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)的方法來(lái)提升傳輸效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。Carullo A設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的冷鏈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[20]。該系統(tǒng)將測(cè)量節(jié)點(diǎn)插入到易腐產(chǎn)品中，識(shí)別他們?cè)趯?shí)際運(yùn)輸中的環(huán)境數(shù)據(jù)，最后通過(guò)無(wú)線信道與基站通信，此系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于成本低，可將冷鏈完整的信息提供給最終客戶。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在冷鏈環(huán)境監(jiān)測(cè)也有著深入研究。羅珩提出了一種基于無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS系統(tǒng)的智能冷鏈物流跟蹤系統(tǒng)[21]。該系統(tǒng)使用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，使冷鏈設(shè)備中的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信，再使用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控中心。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著部署方便、成本低廉和采集數(shù)據(jù)豐富的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地實(shí)現(xiàn)冷鏈運(yùn)輸過(guò)程的監(jiān)測(cè)。

圖3 草莓冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.3.草莓冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方法

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方法的研究，了解到目前生鮮產(chǎn)品冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)主要使用RFID技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)路技術(shù)，但是將其應(yīng)用到草莓冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)中仍存在著挑戰(zhàn)。

1.成本較高

草莓不屬于高附加值的名貴水果，且運(yùn)輸量巨大，若使用RFID技術(shù)將會(huì)在草莓包裝上使用大量一次性RFID標(biāo)簽，購(gòu)買標(biāo)簽讀取設(shè)備，增加運(yùn)輸成本，消費(fèi)者將最終為其買單[22]。

2.信息冗余

草莓冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)是一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的場(chǎng)景，在使用無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，定會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，一般的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由于算力有限，只能收集并發(fā)送數(shù)據(jù)，通過(guò)協(xié)議將數(shù)據(jù)交給其他節(jié)點(diǎn)處理，但是在冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中大部分時(shí)間運(yùn)輸環(huán)境都處于穩(wěn)定，人們往往關(guān)心的是不穩(wěn)定狀態(tài)，這就造成了大量的冗余信息，造成節(jié)點(diǎn)能量消耗。

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和草莓的理化特性可以設(shè)計(jì)一種擁有高集成、自調(diào)整、自處理、自存儲(chǔ)的功能[23]的智能傳感器。如圖3所示，將智能傳感器置于草莓冷鏈運(yùn)輸車中，實(shí)時(shí)監(jiān)控草莓冷鏈運(yùn)輸過(guò)程中的溫濕度和大氣壓力，智能傳感器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，過(guò)濾掉冗余數(shù)據(jù)，將有效數(shù)據(jù)通過(guò)通信鏈路傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心可對(duì)車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)查詢，實(shí)現(xiàn)追溯運(yùn)輸過(guò)程，預(yù)測(cè)草莓品質(zhì)的功能，若車內(nèi)環(huán)境發(fā)生異樣，發(fā)出預(yù)警信號(hào)并及時(shí)通知運(yùn)輸人員，做出正確處理，減少經(jīng)濟(jì)損失。智能傳感器布置一次后可以重復(fù)使用，減少冷鏈運(yùn)輸成本成本，數(shù)據(jù)在發(fā)往監(jiān)測(cè)中心前進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，減少了數(shù)據(jù)冗余，提高系統(tǒng)效率。

總結(jié)

草莓作為老少皆宜的水果，產(chǎn)量在逐年增加，但是我國(guó)冷鏈發(fā)展較晚，信息化程度不高，草莓在運(yùn)輸途中造成的經(jīng)濟(jì)損失較大，因此將智能傳感器應(yīng)用在草莓的冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)中可以向企業(yè)主們反饋草莓的實(shí)時(shí)狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整運(yùn)輸時(shí)的環(huán)境參數(shù)，避免因環(huán)境原因?qū)е虏葺冑|(zhì)腐爛而造成的經(jīng)濟(jì)損失。所以，用于草莓冷鏈運(yùn)輸監(jiān)測(cè)的智能傳感器研究不僅對(duì)提升草莓的冷鏈運(yùn)輸質(zhì)量有著重要意義，對(duì)其他易腐食品冷鏈運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展也起著推動(dòng)作用。