草莓冷链运输中的状态监测方法研究

文/李冀舒 刘军 马廷伟

关键字：草莓；冷链；状态监测；智能传感器

1.引言

随着经济的快速发展，我国国民生活质量发生了质的飞跃，吃饱已不是人们关注的重点，绿色、安全、新鲜的食品更受广大消费者的青睐。城镇居民的食品消费支出中，易腐食品的消费已占51%[1]，但是食品运输时间过长，食品在运输过程中发生变质腐烂也成为食品安全的一大隐患[2]，国家对此也十分重视[3]。

草莓属蔷薇科，草莓属于多年生草本植物，其果实色艳形美，果肉柔软多汁，果味酸甜爽口，具有特有的浓郁芳香味，是一种营养价值高且为人们所喜爱的应季鲜果之一，被人们誉为“水果皇后”。草莓富含碳水化合物、维生素、矿物质、有机酸及果胶等多种营养成分，尤其是VC含量丰富，100g果肉高达35mg[4]。但是，草莓果实含水量高达90%，组织娇嫩，非常容易失水，表皮易受到机械损伤造成病菌的侵袭导致腐烂变质，因此草莓是最易腐烂的农产品之一，如何保证新鲜草莓冷链运输的质量一直是困扰企业主们的难题。

2.草莓品质变化机理分析

2.1.温度影响

新鲜草莓采摘后其内部的生物和化学过程仍在继续，呼吸作用产生热量、二氧化碳的同时也会加快草莓的成熟，导致其颜色质地发生变化，更易受到霉菌的侵袭[5]。因此，如何保证草莓在冷链运输过程中适宜的温度及其稳定性是草莓保鲜的关键问题[6]。草莓最佳保存温度为0.5℃，适宜的温度可以保证草莓的感官和营养等级，例如维生素C在每天温度为2℃时损失达到10%；然而，当在20℃的温度下储存时，维生素C损失可以增加到每天超过50%，温度的波动对草莓也有较大影响[7]。

2.2.湿度影响

草莓贮藏的最佳相对湿度为90%～95%，相对湿度过高或者过低都会影响草莓冷链运输的品质。相对湿度过高时，微生物的繁殖将会加快，当水蒸气达到饱和状态，或者环境中的温度变化较大时，易产生凝结水，使草莓发生腐败变质；而相对湿度低时，蒸发速度将加快，使草莓失水，表皮皱缩，光泽消失，口感变差，不宜食用[7]。草莓果实在相对湿度为95%时，可以降低草莓的重量损失，保持甚至增加草莓的硬度[8]。虽然草莓的最佳储存温度为0.5℃，但是增加存储环境的相对湿度可使草莓在10℃的环境下保持可接受的销售状态。

2.3.压力影响

由于草莓表皮组织娇嫩，易受压力的影响，因此，压力也可以作为草莓品质变化的因素之一。斯坦利·P·伯格博士在1966～1967年于美国发明了减压贮藏（hypobaric storage，LP）技术[9]。通过查阅文献可知[10]，在草莓贮藏过程中相对湿度应保持在95%～98%，温度控制在（-1～13.3）±0.2℃，当压力为（1.33～2.67）±0.067kPa时，空气交换率为每小时0.3～1次/小时，气体中的氧气、二氧化碳、乙烯以及挥发性污染物质浓度减少了99%，明显降低草莓的新陈代谢速率，若在常压环境下需进行空气交换，需要消耗大量的制冷量。在低压状态下氧气浓度较低，当氧气浓度降低到0.1%～0.3%时，可以有效地抑制好氧细菌和真菌的生长，减缓腐败的速率[11]。低压环境下，害虫虫卵的成长也会受到抑制。如图1所示，在10℃的环境下，普通冷藏草莓的贮藏天数为7天，气调冷藏的贮藏天数为10天，且失去草莓的口味，减压冷藏的贮藏天数为21天。

图1 草莓贮藏方式贮藏天数对比（单位/天）

如图2所示，温度过低会造成结晶、冻害；温度过高草莓有机物分解过快，造成草莓品质下降；湿度过低草莓失水严重，表皮皱褶影响销售；湿度过高霉菌滋生，发生腐败。降低压力可以作为一种增强保鲜效果的手段。综合以上三点，控制好草莓在途运输中的温度，湿度加之减压贮藏的应用，将会减少草莓在运输在途新鲜度的损失，从而保证草莓运输途中的质量。

图2 环境参数对草莓品质影响

3.国内外研究现状

3.1.冷链发展状况

草莓的最佳保存环境是保存在接近零度但不结霜的冰箱，所以采用冷链运输鲜摘草莓是目前主流的方式。冷链起源于移动制冷，移动制冷由创立Thermo King公司的Frederick McKinley Jones于1940年发明[12]，一经问世便受到各大企业的青睐，并不断完善冷链运输的体系，建立起从采后预冷、分级包装、气调贮藏和冷链运输的规范方法。美国冷链将发达的运输网络，明确的环节分工，先进的电子技术作为自己发展的方向，用来提高冷链网络的可靠性，减少运输途中的成本与损失。Jean～Paul Rodrigue博士和Theo Notteboom博士从经济发展的角度指出，冷链使许多发展中国家能够作为生产者或消费者参与全球易腐产品市场，是经济全球化必不可少的一部分[13]。

与国外相同，对于草莓这种易腐类水果我国也采用冷链运输作为主要方式，但是起步较晚，在20世纪50年代，为保证易腐农产品的进出口需求，才开始着力发展，但是由于技术水平的限制仅仅停留在零散的冷藏仓库和改装冷藏车的水平，没有形成完整体系，导致我国蔬菜采摘损失率达到25%～30%。直到20世纪八十年代改革开放的到来和1982年颁布的《食品卫生法》直接推动了我国水果冷链物流业的发展。2001年成立中国物流采购联合会，同年中国加入WTO，世界范围的贸易增加，促使我国冷链物流得到质的飞跃。2008 年，我国农产品冷链物流的市场规模已经达到1.35万亿元，每年以26%的速度增长[14]。如今全国冷链依然存在着全国发展不均衡、配套基础设施差、缺乏统一行业标准和监管机构、信息不透明、上下游联系不紧密的核心问题[15]。

3.2.国内外冷链运输监测方法

为了增强草莓在冷链运输中的透明性，针对草莓的变质机理，本文研究了相似易腐食品冷链运输监测方法。

E.Abad博士使用RFID智能标签应用在食品的实时可溯性冷链监控[16]。以E.Abad博士的研究为例，将集成光、温度、湿度传感器、微控制器、存储芯片和低功耗的RFID发射天线的智能标签附加在待跟踪产品上，这些智能标签可以实时记录食品在冷链运输中的状态。通过验证，该系统与传统温度数据记录器相比拥有更好的可重用性，降低人工成本，使冷链运输的过程更加安全可靠。国内学者徐书芳提出使用车载终端和监测中心组成冷链运输监测网络[17]。车载终端由中央控制器、GPS定位模块、GPRS无线通信模块和RFID电子标签构成，完成对在途运输车内环境信息的采集、处理、分析功能。监测中心由于接收处理传感器发来的数据，在网页端显示温湿度和定位数据。

Lin Qi和Mark Xu提出了一种基于无线传感器网络的集成冷链保质期决策系统[18]。该系统将最小货架寿命率（LSFO）库存策略与无线传感网络相结合，无缝采集了整个链条的信息流，为冷链企业制定智能LSFO策略，该策略可以降低易腐食品运输途中质量与经济的损失。Xiao X开发了一种基于WSN与压缩发送（CS）相结合的水产品温度监测系统（MS-FCAP）[19]。该系统意在解决传统实时监测系统中传感器数据传输繁重导致通信系统过载的问题，MS-FCAP主要通过稀疏采样、数据重建以及运输产品寿命预测的方法来提升传输效率，保证产品质量。Carullo A设计了一种基于无线传感器网络的冷链监测系统[20]。该系统将测量节点插入到易腐产品中，识别他们在实际运输中的环境数据，最后通过无线信道与基站通信，此系统的优势在于成本低，可将冷链完整的信息提供给最终客户。国内学者对无线传感器网络在冷链环境监测也有着深入研究。罗珩提出了一种基于无线温湿度传感器网络和GPS系统的智能冷链物流跟踪系统[21]。该系统使用ZigBee技术组网，使冷链设备中的监测节点与汇聚节点无线通信，再使用数据传输网络将监测数据传到监控中心。无线传感器网络有着部署方便、成本低廉和采集数据丰富的优点，可以有效地实现冷链运输过程的监测。

图3 草莓冷链运输监测预警系统架构图

3.3.草莓冷链运输监测方法

通过对国内外冷链运输监测方法的研究，了解到目前生鲜产品冷链运输监测主要使用RFID技术和无线传感器网路技术，但是将其应用到草莓冷链运输监测中仍存在着挑战。

1.成本较高

草莓不属于高附加值的名贵水果，且运输量巨大，若使用RFID技术将会在草莓包装上使用大量一次性RFID标签，购买标签读取设备，增加运输成本，消费者将最终为其买单[22]。

2.信息冗余

草莓冷链运输监测是一个对实时性要求比较高的场景，在使用无线传感器节点对整个运输过程进行监控时，定会产生大量数据，一般的无线传感器节点由于算力有限，只能收集并发送数据，通过协议将数据交给其他节点处理，但是在冷链运输过程中大部分时间运输环境都处于稳定，人们往往关心的是不稳定状态，这就造成了大量的冗余信息，造成节点能量消耗。

针对现有技术的不足和草莓的理化特性可以设计一种拥有高集成、自调整、自处理、自存储的功能[23]的智能传感器。如图3所示，将智能传感器置于草莓冷链运输车中，实时监控草莓冷链运输过程中的温湿度和大气压力，智能传感器对采集到的数据进行预处理，过滤掉冗余数据，将有效数据通过通信链路传输到监测中心，监测中心可对车内环境数据进行监测查询，实现追溯运输过程，预测草莓品质的功能，若车内环境发生异样，发出预警信号并及时通知运输人员，做出正确处理，减少经济损失。智能传感器布置一次后可以重复使用，减少冷链运输成本成本，数据在发往监测中心前进行数据预处理，减少了数据冗余，提高系统效率。

总结

草莓作为老少皆宜的水果，产量在逐年增加，但是我国冷链发展较晚，信息化程度不高，草莓在运输途中造成的经济损失较大，因此将智能传感器应用在草莓的冷链运输监测中可以向企业主们反馈草莓的实时状态，及时调整运输时的环境参数，避免因环境原因导致草莓变质腐烂而造成的经济损失。所以，用于草莓冷链运输监测的智能传感器研究不仅对提升草莓的冷链运输质量有着重要意义，对其他易腐食品冷链运输的发展也起着推动作用。