草莓冷鏈運輸中的狀態監測方法研究

文/李冀舒 劉軍 馬廷偉

關鍵字：草莓；冷鏈；狀態監測；智能傳感器

1.引言

隨著經濟的快速發展，我國國民生活質量發生了質的飛躍，吃飽已不是人們關注的重點，綠色、安全、新鮮的食品更受廣大消費者的青睞。城鎮居民的食品消費支出中，易腐食品的消費已占51%[1]，但是食品運輸時間過長，食品在運輸過程中發生變質腐爛也成為食品安全的一大隱患[2]，國家對此也十分重視[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，是一種營養價值高且為人們所喜愛的應季鮮果之一，被人們譽為“水果皇后”。草莓富含碳水化合物、維生素、礦物質、有機酸及果膠等多種營養成分，尤其是VC含量豐富，100g果肉高達35mg[4]。但是，草莓果實含水量高達90%，組織嬌嫩，非常容易失水，表皮易受到機械損傷造成病菌的侵襲導致腐爛變質，因此草莓是最易腐爛的農產品之一，如何保證新鮮草莓冷鏈運輸的質量一直是困擾企業主們的難題。

2.草莓品質變化機理分析

2.1.溫度影響

新鮮草莓采摘后其內部的生物和化學過程仍在繼續，呼吸作用產生熱量、二氧化碳的同時也會加快草莓的成熟，導致其顏色質地發生變化，更易受到霉菌的侵襲[5]。因此，如何保證草莓在冷鏈運輸過程中適宜的溫度及其穩定性是草莓保鮮的關鍵問題[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養等級，例如維生素C在每天溫度為2℃時損失達到10%；然而，當在20℃的溫度下儲存時，維生素C損失可以增加到每天超過50%，溫度的波動對草莓也有較大影響[7]。

2.2.濕度影響

草莓貯藏的最佳相對濕度為90%～95%，相對濕度過高或者過低都會影響草莓冷鏈運輸的品質。相對濕度過高時，微生物的繁殖將會加快，當水蒸氣達到飽和狀態，或者環境中的溫度變化較大時，易產生凝結水，使草莓發生腐敗變質；而相對濕度低時，蒸發速度將加快，使草莓失水，表皮皺縮，光澤消失，口感變差，不宜食用[7]。草莓果實在相對濕度為95%時，可以降低草莓的重量損失，保持甚至增加草莓的硬度[8]。雖然草莓的最佳儲存溫度為0.5℃，但是增加存儲環境的相對濕度可使草莓在10℃的環境下保持可接受的銷售狀態。

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變化的因素之一。斯坦利·P·伯格博士在1966～1967年于美國發明了減壓貯藏（hypobaric storage，LP）技術[9]。通過查閱文獻可知[10]，在草莓貯藏過程中相對濕度應保持在95%～98%，溫度控制在（-1～13.3）±0.2℃，當壓力為（1.33～2.67）±0.067kPa時，空氣交換率為每小時0.3～1次/小時，氣體中的氧氣、二氧化碳、乙烯以及揮發性污染物質濃度減少了99%，明顯降低草莓的新陳代謝速率，若在常壓環境下需進行空氣交換，需要消耗大量的制冷量。在低壓狀態下氧氣濃度較低，當氧氣濃度降低到0.1%～0.3%時，可以有效地抑制好氧細菌和真菌的生長，減緩腐敗的速率[11]。低壓環境下，害蟲蟲卵的成長也會受到抑制。如圖1所示，在10℃的環境下，普通冷藏草莓的貯藏天數為7天，氣調冷藏的貯藏天數為10天，且失去草莓的口味，減壓冷藏的貯藏天數為21天。

圖1 草莓貯藏方式貯藏天數對比（單位/天）

如圖2所示，溫度過低會造成結晶、凍害；溫度過高草莓有機物分解過快，造成草莓品質下降；濕度過低草莓失水嚴重，表皮皺褶影響銷售；濕度過高霉菌滋生，發生腐敗。降低壓力可以作為一種增強保鮮效果的手段。綜合以上三點，控制好草莓在途運輸中的溫度，濕度加之減壓貯藏的應用，將會減少草莓在運輸在途新鮮度的損失，從而保證草莓運輸途中的質量。

圖2 環境參數對草莓品質影響

3.國內外研究現狀

3.1.冷鏈發展狀況

草莓的最佳保存環境是保存在接近零度但不結霜的冰箱，所以采用冷鏈運輸鮮摘草莓是目前主流的方式。冷鏈起源于移動制冷，移動制冷由創立Thermo King公司的Frederick McKinley Jones于1940年發明[12]，一經問世便受到各大企業的青睞，并不斷完善冷鏈運輸的體系，建立起從采后預冷、分級包裝、氣調貯藏和冷鏈運輸的規范方法。美國冷鏈將發達的運輸網絡，明確的環節分工，先進的電子技術作為自己發展的方向，用來提高冷鏈網絡的可靠性，減少運輸途中的成本與損失。Jean～Paul Rodrigue博士和Theo Notteboom博士從經濟發展的角度指出，冷鏈使許多發展中國家能夠作為生產者或消費者參與全球易腐產品市場，是經濟全球化必不可少的一部分[13]。

與國外相同，對于草莓這種易腐類水果我國也采用冷鏈運輸作為主要方式，但是起步較晚，在20世紀50年代，為保證易腐農產品的進出口需求，才開始著力發展，但是由于技術水平的限制僅僅停留在零散的冷藏倉庫和改裝冷藏車的水平，沒有形成完整體系，導致我國蔬菜采摘損失率達到25%～30%。直到20世紀八十年代改革開放的到來和1982年頒布的《食品衛生法》直接推動了我國水果冷鏈物流業的發展。2001年成立中國物流采購聯合會，同年中國加入WTO，世界范圍的貿易增加，促使我國冷鏈物流得到質的飛躍。2008 年，我國農產品冷鏈物流的市場規模已經達到1.35萬億元，每年以26%的速度增長[14]。如今全國冷鏈依然存在著全國發展不均衡、配套基礎設施差、缺乏統一行業標準和監管機構、信息不透明、上下游聯系不緊密的核心問題[15]。

3.2.國內外冷鏈運輸監測方法

為了增強草莓在冷鏈運輸中的透明性，針對草莓的變質機理，本文研究了相似易腐食品冷鏈運輸監測方法。

E.Abad博士使用RFID智能標簽應用在食品的實時可溯性冷鏈監控[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、存儲芯片和低功耗的RFID發射天線的智能標簽附加在待跟蹤產品上，這些智能標簽可以實時記錄食品在冷鏈運輸中的狀態。通過驗證，該系統與傳統溫度數據記錄器相比擁有更好的可重用性，降低人工成本，使冷鏈運輸的過程更加安全可靠。國內學者徐書芳提出使用車載終端和監測中心組成冷鏈運輸監測網絡[17]。車載終端由中央控制器、GPS定位模塊、GPRS無線通信模塊和RFID電子標簽構成，完成對在途運輸車內環境信息的采集、處理、分析功能。監測中心由于接收處理傳感器發來的數據，在網頁端顯示溫濕度和定位數據。

Lin Qi和Mark Xu提出了一種基于無線傳感器網絡的集成冷鏈保質期決策系統[18]。該系統將最小貨架壽命率（LSFO）庫存策略與無線傳感網絡相結合，無縫采集了整個鏈條的信息流，為冷鏈企業制定智能LSFO策略，該策略可以降低易腐食品運輸途中質量與經濟的損失。Xiao X開發了一種基于WSN與壓縮發送（CS）相結合的水產品溫度監測系統（MS-FCAP）[19]。該系統意在解決傳統實時監測系統中傳感器數據傳輸繁重導致通信系統過載的問題，MS-FCAP主要通過稀疏采樣、數據重建以及運輸產品壽命預測的方法來提升傳輸效率，保證產品質量。Carullo A設計了一種基于無線傳感器網絡的冷鏈監測系統[20]。該系統將測量節點插入到易腐產品中，識別他們在實際運輸中的環境數據，最后通過無線信道與基站通信，此系統的優勢在于成本低，可將冷鏈完整的信息提供給最終客戶。國內學者對無線傳感器網絡在冷鏈環境監測也有著深入研究。羅珩提出了一種基于無線溫濕度傳感器網絡和GPS系統的智能冷鏈物流跟蹤系統[21]。該系統使用ZigBee技術組網，使冷鏈設備中的監測節點與匯聚節點無線通信，再使用數據傳輸網絡將監測數據傳到監控中心。無線傳感器網絡有著部署方便、成本低廉和采集數據豐富的優點，可以有效地實現冷鏈運輸過程的監測。

圖3 草莓冷鏈運輸監測預警系統架構圖

3.3.草莓冷鏈運輸監測方法

通過對國內外冷鏈運輸監測方法的研究，了解到目前生鮮產品冷鏈運輸監測主要使用RFID技術和無線傳感器網路技術，但是將其應用到草莓冷鏈運輸監測中仍存在著挑戰。

1.成本較高

草莓不屬于高附加值的名貴水果，且運輸量巨大，若使用RFID技術將會在草莓包裝上使用大量一次性RFID標簽，購買標簽讀取設備，增加運輸成本，消費者將最終為其買單[22]。

2.信息冗余

草莓冷鏈運輸監測是一個對實時性要求比較高的場景，在使用無線傳感器節點對整個運輸過程進行監控時，定會產生大量數據，一般的無線傳感器節點由于算力有限，只能收集并發送數據，通過協議將數據交給其他節點處理，但是在冷鏈運輸過程中大部分時間運輸環境都處于穩定，人們往往關心的是不穩定狀態，這就造成了大量的冗余信息，造成節點能量消耗。

針對現有技術的不足和草莓的理化特性可以設計一種擁有高集成、自調整、自處理、自存儲的功能[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輸車中，實時監控草莓冷鏈運輸過程中的溫濕度和大氣壓力，智能傳感器對采集到的數據進行預處理，過濾掉冗余數據，將有效數據通過通信鏈路傳輸到監測中心，監測中心可對車內環境數據進行監測查詢，實現追溯運輸過程，預測草莓品質的功能，若車內環境發生異樣，發出預警信號并及時通知運輸人員，做出正確處理，減少經濟損失。智能傳感器布置一次后可以重復使用，減少冷鏈運輸成本成本，數據在發往監測中心前進行數據預處理，減少了數據冗余，提高系統效率。

總結

草莓作為老少皆宜的水果，產量在逐年增加，但是我國冷鏈發展較晚，信息化程度不高，草莓在運輸途中造成的經濟損失較大，因此將智能傳感器應用在草莓的冷鏈運輸監測中可以向企業主們反饋草莓的實時狀態，及時調整運輸時的環境參數，避免因環境原因導致草莓變質腐爛而造成的經濟損失。所以，用于草莓冷鏈運輸監測的智能傳感器研究不僅對提升草莓的冷鏈運輸質量有著重要意義，對其他易腐食品冷鏈運輸的發展也起著推動作用。