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(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031；2. 三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002)

隨著全球化食品供應(yīng)鏈日益復(fù)雜，更長冷鏈系統(tǒng)和更多中間商的加入使得食品損失風(fēng)險增加，實現(xiàn)可持續(xù)供應(yīng)鏈管理(SSCM)面臨諸多挑戰(zhàn)，此類問題在行業(yè)內(nèi)引發(fā)了廣泛的討論[1]。SSCM面臨的主要挑戰(zhàn)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(chǎn)期間和收獲后由于微生物和化學(xué)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(yīng)用于果蔬供應(yīng)鏈可以減少果蔬收獲后的食品損失，有助于提高果蔬供應(yīng)鏈的環(huán)境可持續(xù)性。加濕裝置主要應(yīng)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(fā)商的倉庫中。為充分發(fā)揮加濕技術(shù)的潛力，加濕裝置可應(yīng)用于果蔬收獲后的各個階段，即冷藏室、農(nóng)場、加工中心、配送中心和批發(fā)商、道路運輸和零售(柜內(nèi)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(jì)60年代才開始發(fā)展的重要環(huán)境管理工具，生命周期是指某一產(chǎn)品或服務(wù)從取得原材料，經(jīng)生產(chǎn)、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(chǎn)品或服務(wù)相關(guān)的環(huán)境因素和潛在影響的方法，是通過編制某一系統(tǒng)相關(guān)投入與產(chǎn)出的存量記錄，評估與這些投入、產(chǎn)出有關(guān)的潛在環(huán)境影響，根據(jù)生命周期評估研究的目標(biāo)解釋存量記錄和環(huán)境影響的分析結(jié)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(zhuǎn)化為影響指標(biāo)[5]。目前，關(guān)于超聲波加濕技術(shù)對環(huán)境LCA評估的報道多數(shù)僅限于工業(yè)加工、室內(nèi)外環(huán)境調(diào)節(jié)等領(lǐng)域，在食品保鮮、生鮮物流系統(tǒng)的探究較少?；谌^程的生命周期評價，課題組擬比較基于加濕的供應(yīng)鏈與傳統(tǒng)供應(yīng)鏈的環(huán)境性能，旨在評估超聲波加濕作為一種提高環(huán)境性能的技術(shù)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(yīng)鏈有限公司；

消毒劑：JN-1702，1 000 mL，北京貝嘉衛(wèi)生用品有限公司；

超聲波加濕器：HT-254型，上海武光化學(xué)科技有限公司。

1.2 試驗方法

利用超聲波產(chǎn)生約1～2 μm(干霧)的水滴氣溶膠，應(yīng)用于果蔬的收獲后的處理，該技術(shù)能夠提供10～15 ℃的基本冷卻[3,6]，水滴蒸發(fā)產(chǎn)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(shù)據(jù)進行LCA建模。表1為供應(yīng)鏈常用的超聲波加濕器的基本參數(shù)，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(shù)

1.3 生命周期評估方法

參照文獻[9-10]。試驗中考慮的系統(tǒng)包括構(gòu)成果蔬供應(yīng)鏈的生命周期階段：① 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；② 從田地到農(nóng)場加工中心的常規(guī)運輸；③ 加工中心的加工(即清洗、預(yù)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(tǒng)供應(yīng)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(tǒng)(通常是蒸汽壓縮系統(tǒng))。

1.4 建?？蚣?/h3>

使用SimaPro軟件進行建模，環(huán)境影響評分參照文獻[11-12]。使用模型參數(shù)對前臺系統(tǒng)的單元流程進行建模；背景系統(tǒng)的單元流程，如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(shù)據(jù)以及平均技術(shù)建模，對于原材料和加濕器組件使用全球生產(chǎn)和貿(mào)易商品建模，由于沒有可用的區(qū)域化庫存，冷藏運輸過程根據(jù)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(chǎn)品)，則執(zhí)行系統(tǒng)擴展。回收的熱量和電能被用于內(nèi)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(chǎn)。在有機廢物堆肥中，避免肥料的初級生產(chǎn)。試驗中使用平均過程應(yīng)用系統(tǒng)擴展，與ILCD和ISO層次結(jié)構(gòu)一致[15-17]。

2 結(jié)果與討論

2.1 生命周期影響評估

傳統(tǒng)的供應(yīng)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(yīng)鏈績效趨勢。桃子的影響類別綜合表現(xiàn)最好，其次是葡萄，隨后是蘆筍的表現(xiàn)較差(包括氣候變化和礦物)，最后是草莓，在4種果蔬中結(jié)果最低。

圖1 傳統(tǒng)供應(yīng)鏈生命周期影響評估

標(biāo)準(zhǔn)化處理[11]后的結(jié)果顯示，最高評估結(jié)果出現(xiàn)在6個影響類別中(淡水生態(tài)毒性、水消耗、資源消耗、海洋富營養(yǎng)化、人類毒性癌癥和非癌癥影響)，其中每種產(chǎn)品的平均影響高達0.01%；對于其余類別，影響分?jǐn)?shù)較低，為平均影響的0.001%。

2.2 超聲波加濕對環(huán)境因素的影響

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

圖2 基于基線加濕的供應(yīng)鏈與常規(guī)供應(yīng)鏈的環(huán)境績效比較

考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和運輸過程是造成環(huán)境影響的主要因素，使用加濕器的潛在好處是減少產(chǎn)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(nóng)業(yè)灌溉用水，降低機械和化肥生產(chǎn)中的金屬消耗(如鋅、鉛)。淡水富營養(yǎng)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(yǎng)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(huán)境負擔(dān)，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(chǎn))和反滲透膜生產(chǎn)產(chǎn)生的溫室氣體排放，增加柴油生產(chǎn)(用于運輸)和加濕器使用產(chǎn)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(chǎn)(如鋼和主板)導(dǎo)致的化石資源消耗，都會加劇環(huán)境的負擔(dān)[22-24]。因此，加濕器效率損失減少越多，系統(tǒng)的環(huán)境性能越好。

加濕系統(tǒng)的性能也受供應(yīng)鏈固有果蔬損失的影響。當(dāng)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(shù)下也無顯著益處。表明在固有損失較低的供應(yīng)鏈中，損失的額外減少不是影響環(huán)境績效的顯著因素，因此在這種情況下，加濕技術(shù)收效甚微，減少農(nóng)業(yè)和運輸過程的影響是改善環(huán)境績效的主要方法。

3 結(jié)論

在供應(yīng)鏈中，溫度和儲存管理不佳會導(dǎo)致產(chǎn)品損失較大，隨著供應(yīng)鏈長度和復(fù)雜性的增加，產(chǎn)品損失比例仍將上升，將超聲波加濕技術(shù)應(yīng)用于損失較大的果蔬供應(yīng)鏈中，應(yīng)用潛力巨大。生命周期評估表明，與傳統(tǒng)供應(yīng)鏈相比，超聲波加濕可將部分果蔬的環(huán)境影響(包括氣候變化影響)降低23%。當(dāng)加濕器應(yīng)用于果蔬供應(yīng)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(jié)果表明，在果蔬收獲后階段應(yīng)用加濕技術(shù)可改善供應(yīng)鏈的環(huán)境績效。為實現(xiàn)可持續(xù)的供應(yīng)鏈管理，必須在收獲后供應(yīng)鏈上實施這一技術(shù)，運輸中每一環(huán)節(jié)都需要正確操作該技術(shù)，并確保冷鏈不會中斷。下一步可研究該技術(shù)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。