4種常見果蔬保鮮運輸超聲波加濕的生命周期模擬研究

蘇 霞 王寶成

(1. 山西財貿職業技術學院，山西 太原 030031；2. 三峽大學，湖北 宜昌 443002)

隨著全球化食品供應鏈日益復雜，更長冷鏈系統和更多中間商的加入使得食品損失風險增加，實現可持續供應鏈管理(SSCM)面臨諸多挑戰，此類問題在行業內引發了廣泛的討論[1]。SSCM面臨的主要挑戰之一是食品損失，每年全球有高達1/3的供人類消費的食品在生產期間和收獲后由于微生物和化學腐敗而丟棄，遭到零售商或消費者的浪費[2]。

將超聲波加濕器應用于果蔬供應鏈可以減少果蔬收獲后的食品損失，有助于提高果蔬供應鏈的環境可持續性。加濕裝置主要應用于零售柜，同時也可用于果蔬在收獲后的運輸階段，如配送中心和批發商的倉庫中。為充分發揮加濕技術的潛力，加濕裝置可應用于果蔬收獲后的各個階段，即冷藏室、農場、加工中心、配送中心和批發商、道路運輸和零售(柜內展示或冷藏室)[3]。

使用生命周期評估(Life Cycle Assessment, LCA)是一項自20世紀60年代才開始發展的重要環境管理工具，生命周期是指某一產品或服務從取得原材料，經生產、使用直至廢棄的整個過程。生命周期評估是用于評估與某一產品或服務相關的環境因素和潛在影響的方法，是通過編制某一系統相關投入與產出的存量記錄，評估與這些投入、產出有關的潛在環境影響，根據生命周期評估研究的目標解釋存量記錄和環境影響的分析結果來進行的。其中使用不同生命周期影響類別(如氣候變化、資源消耗或用水)[4]，將生命周期過程中的資源消耗和污染物排放轉化為影響指標[5]。目前，關于超聲波加濕技術對環境LCA評估的報道多數僅限于工業加工、室內外環境調節等領域，在食品保鮮、生鮮物流系統的探究較少。基于全過程的生命周期評價，課題組擬比較基于加濕的供應鏈與傳統供應鏈的環境性能，旨在評估超聲波加濕作為一種提高環境性能的技術的有效性，以減少果蔬采摘后的損失。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

草莓、桃子、葡萄、蘆筍：深圳恒興食品供應鏈有限公司；

消毒劑：JN-1702，1 000 mL，北京貝嘉衛生用品有限公司；

超聲波加濕器：HT-254型，上海武光化學科技有限公司。

1.2 試驗方法

利用超聲波產生約1～2 μm(干霧)的水滴氣溶膠，應用于果蔬的收獲后的處理，該技術能夠提供10～15 ℃的基本冷卻[3,6]，水滴蒸發產生絕熱冷卻，恒濕器將進一步將溫度降低至5 ℃[7]。包裝盒堆疊在一起，置于托盤上，每個托盤放置10層。超聲波加濕器使用前，先用天然黃酮類消毒劑進行清潔[8]，試驗完成后對超聲波加濕器主要數據進行LCA建模。表1為供應鏈常用的超聲波加濕器的基本參數，基于功效及所用能量來源等因素，試驗采用自來水供水的HT-254型超聲波加濕器。

表1 超聲波加濕器基本參數

1.3 生命周期評估方法

參照文獻[9-10]。試驗中考慮的系統包括構成果蔬供應鏈的生命周期階段：① 農業生產；② 從田地到農場加工中心的常規運輸；③ 加工中心的加工(即清洗、預冷卻和包裝)；④ 加工中心的儲存；⑤ 從加工中心到配送中心的運輸；⑥ 配送中心的倉儲；⑦ 配送中心到零售商的運輸；⑧ 零售商(超市)的倉儲和零售。對于沒有加濕的傳統供應鏈，冷鏈一直延伸到零售點，在冷藏室、卡車拖車和超市展柜中使用制冷系統(通常是蒸汽壓縮系統)。

1.4 建模框架

使用SimaPro軟件進行建模，環境影響評分參照文獻[11-12]。使用模型參數對前臺系統的單元流程進行建模；背景系統的單元流程，如農業生產或生物廢物處理參照文獻[13]。采用歸因LCA方法，使用平均能源組合的特定數據以及平均技術建模，對于原材料和加濕器組件使用全球生產和貿易商品建模，由于沒有可用的區域化庫存，冷藏運輸過程根據全球建模。在冷藏和廢物處理的每個階段，使用平均電力混合[14]。如果流程具有多個功能(即交付一個或多個副產品)，則執行系統擴展。回收的熱量和電能被用于內部工廠能量再分配和回收，回收的鋼鐵、紙張和塑料替代原始材料的生產。在有機廢物堆肥中，避免肥料的初級生產。試驗中使用平均過程應用系統擴展，與ILCD和ISO層次結構一致[15-17]。

2 結果與討論

2.1 生命周期影響評估

傳統的供應鏈生命周期影響評估如圖1所示，針對選定的3個影響類別，其代表了所有(15個)生命周期影響評估類別中的供應鏈績效趨勢。桃子的影響類別綜合表現最好，其次是葡萄，隨后是蘆筍的表現較差(包括氣候變化和礦物)，最后是草莓，在4種果蔬中結果最低。

圖1 傳統供應鏈生命周期影響評估

標準化處理[11]后的結果顯示，最高評估結果出現在6個影響類別中(淡水生態毒性、水消耗、資源消耗、海洋富營養化、人類毒性癌癥和非癌癥影響)，其中每種產品的平均影響高達0.01%；對于其余類別，影響分數較低，為平均影響的0.001%。

2.2 超聲波加濕對環境因素的影響

由圖2可知，4種產品主要呈現以下趨勢：在收獲后使用超聲波加濕器可提高系統的環境性能，該性能隨加濕器效率的提高而提高；固有的食物質量損失越高，質量改善效果越明顯。在加濕器減少食物損失的情況下，環境影響減少0.2%～23.0%，受產品、加濕器效率和固有食物損失的影響，表明加濕技術可改善產品供應鏈的環境績效。草莓、桃子和葡萄的結果具有高度不確定性，系統間無顯著性差異；蘆筍的差異性顯著，具有統計學意義，表明不同性能的調節器的影響差異具有統計學意義。

圖2 基于基線加濕的供應鏈與常規供應鏈的環境績效比較

考慮到農業生產和運輸過程是造成環境影響的主要因素，使用加濕器的潛在好處是減少產品損失，可以降低運輸過程中溫室氣體排放量(如CO、NO、碳氫化合物)，減少農業灌溉用水，降低機械和化肥生產中的金屬消耗(如鋅、鉛)。淡水富營養化對桃子和葡萄的影響減少了食物廢物的處理，即減少了厭氧消化池污泥處理過程中向水體中排放的營養物(硝酸鹽和磷酸鹽)[18-20]。在加濕器效率為零的情況下(即沒有減少損失的情況下)，加濕會略微增加環境負擔，進一步證明了減少食物損失的重要性。由于額外的運輸需求(例如額外柴油和卡車生產)和反滲透膜生產產生的溫室氣體排放，增加柴油生產(用于運輸)和加濕器使用產生的耗水量[21]，以及礦物、金屬額外運輸(如柴油、卡車和制冷機)和加濕器組件生產(如鋼和主板)導致的化石資源消耗，都會加劇環境的負擔[22-24]。因此，加濕器效率損失減少越多，系統的環境性能越好。

加濕系統的性能也受供應鏈固有果蔬損失的影響。當固有損失低于24%時，加濕益處為最低值，在某些極端氣候變化和資源枯竭情況下，即使在最高效率的加濕技術下也無顯著益處。表明在固有損失較低的供應鏈中，損失的額外減少不是影響環境績效的顯著因素，因此在這種情況下，加濕技術收效甚微，減少農業和運輸過程的影響是改善環境績效的主要方法。

3 結論

在供應鏈中，溫度和儲存管理不佳會導致產品損失較大，隨著供應鏈長度和復雜性的增加，產品損失比例仍將上升，將超聲波加濕技術應用于損失較大的果蔬供應鏈中，應用潛力巨大。生命周期評估表明，與傳統供應鏈相比，超聲波加濕可將部分果蔬的環境影響(包括氣候變化影響)降低23%。當加濕器應用于果蔬供應鏈中，且總固有損失高于24%時，加濕器的加入能夠使得損失減少20%以上。研究結果表明，在果蔬收獲后階段應用加濕技術可改善供應鏈的環境績效。為實現可持續的供應鏈管理，必須在收獲后供應鏈上實施這一技術，運輸中每一環節都需要正確操作該技術，并確保冷鏈不會中斷。下一步可研究該技術在減少食品損失方面的效率及確定加濕對消費者端食物損失的影響。