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食品工業(yè)的第四次工業(yè)革命--第一部分:工業(yè)4.0技術(shù)

哈桑、卡德爾、阿德南、馬赫福茲 等

      來源:《肉類產(chǎn)業(yè)資訊》    2022年第6期
 
內(nèi)容摘要:氣候變化、世界人口增長、糧食浪費和損失以及新疾病或大流行爆發(fā)的風(fēng)險,是威脅未來糧食可持續(xù)性和地球安全的眾多挑戰(zhàn)的因素,這些挑戰(zhàn)迫切需要解決。第四次工業(yè)革命(或稱工業(yè)4.0),自2015年以來一直勢頭強(qiáng)勁,是可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動力,也是應(yīng)對全球重大挑戰(zhàn)的成功催化劑。
  摘要:
  氣候變化、世界人口增長、糧食浪費和損失以及新疾病或大流行爆發(fā)的風(fēng)險,是威脅未來糧食可持續(xù)性和地球安全的眾多挑戰(zhàn)的因素,這些挑戰(zhàn)迫切需要解決。第四次工業(yè)革命(或稱工業(yè)4.0),自2015年以來一直勢頭強(qiáng)勁,是可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動力,也是應(yīng)對全球重大挑戰(zhàn)的成功催化劑。本文總結(jié)了最相關(guān)的食品工業(yè)4.0技術(shù),包括數(shù)字技術(shù)(如人工智能、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈)和其他技術(shù)進(jìn)步(如智能傳感器、機(jī)器人、數(shù)字孿生和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng))。此外,對工業(yè)4.0技術(shù)革命導(dǎo)致的新食品趨勢(如3D打印食品)的見解也將在后期進(jìn)行討論。工業(yè)4.0技術(shù)極大地改變了食品工業(yè),并對環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人類健康帶來了重大影響。盡管上述每一項技術(shù)都很重要,但只有同時結(jié)合許多技術(shù),才能產(chǎn)生突破性的可持續(xù)解決方案。食品工業(yè)4.0時代的特點是新的挑戰(zhàn)、機(jī)遇和趨勢,這些趨勢重塑了當(dāng)前食品生產(chǎn)和消費模式的戰(zhàn)略及前景,為向工業(yè)5.0的發(fā)展鋪平了道路。
  1.介紹
  世界面臨著健康、人口和營養(yǎng)危機(jī),這些危機(jī)需要創(chuàng)新的解決方案和可持續(xù)的食品體系。事實上,解決當(dāng)前的重大挑戰(zhàn),如全球變暖引起的氣候變化、污染、生物多樣性喪失、森林砍伐、糧食生產(chǎn)、過度捕撈、大量的食物浪費和損失,以及世界人口的快速增長和新疾病或大流行爆發(fā)的風(fēng)險(如Covid-19),需要一切實際的創(chuàng)新和可持續(xù)的解決方案來確保足夠的食物。一個兩難的境地是,雖然食品工業(yè)已經(jīng)是造成氣候變化的主要貢獻(xiàn)者之一,但仍需增加食品生產(chǎn),以滿足不斷增長的人口對食品的需求。因此,許多食品制造業(yè)最近面臨著前所未有的壓力,要求采用各種可持續(xù)發(fā)展的技術(shù),創(chuàng)新和滿足高效率及性能標(biāo)準(zhǔn)。
  第四次工業(yè)革命或工業(yè)4.0(或是縮寫為4IR)已經(jīng)在許多行業(yè)獲得了發(fā)展勢頭,包括食品行業(yè)。參考SCOPUS數(shù)據(jù)庫,已發(fā)表的支持食品工業(yè)4.0技術(shù)的論文數(shù)量,從2015年的僅2篇增加到2021年的50多篇(圖1)。在同一時期內(nèi),被引用的數(shù)量也在急劇增加。這可能是由于人們越來越認(rèn)識到工業(yè)4.0技術(shù)和數(shù)字解決方案的潛力,有助于食品系統(tǒng)的環(huán)境可持續(xù)性。此外,持續(xù)不斷的Covid-19危機(jī)大大加快了在整個食品供應(yīng)鏈中對數(shù)字技術(shù)的采用。

圖1  出版物(a)和引用量(b) 與食品工業(yè)4.0有關(guān)搜索
 ?。ㄋ阉鳂?biāo)準(zhǔn):文章標(biāo)題,摘要;關(guān)鍵詞:第四工業(yè)革命,或工業(yè)4.0,食品工業(yè),人工智能,大數(shù)據(jù),物聯(lián)網(wǎng),區(qū)塊鏈,機(jī)器人,智能傳感器,數(shù)字孿生,或網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)) 數(shù)據(jù)來源于2021年12月的Scopus公司
  工業(yè)4.0采用了先進(jìn)的物理、數(shù)字和生物技術(shù),它包括但不限于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能傳感器、機(jī)器人技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全,以及數(shù)字孿生和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)。
  人工智能(AI)、機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)和大數(shù)據(jù)是工業(yè)4.0和許多其他工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要組成部分。ML是人工智能的一個子集,它包括用于在數(shù)據(jù)中尋找模式以進(jìn)行分類和預(yù)測的算法。人工智能革命已成為工業(yè)4.0的主要驅(qū)動力之一。這主要是由于它為所有東西的數(shù)字化提供了大量的數(shù)據(jù),特點是其多樣性、速度和體積(大數(shù)據(jù)的3Vs)。因此,大數(shù)據(jù)已成為新常態(tài),允許人工智能AI和ML智能以指數(shù)級速度增長。大數(shù)據(jù)分析也與其他新興的工業(yè)4.0組合,如區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的密切關(guān)聯(lián)。人們對物聯(lián)網(wǎng)的興趣已經(jīng)發(fā)展到,包括一個由設(shè)備和其他物理對象通過不同的技術(shù)(如傳感器和軟件)連接到互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò),從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和交換。收集到的數(shù)據(jù)使評估一個給定系統(tǒng)的狀態(tài)成為可能,然后用于優(yōu)化該系統(tǒng)的性能。區(qū)塊鏈?zhǔn)窃诠I(yè)4.0的發(fā)展下出現(xiàn)的另一種數(shù)字技術(shù)方法,在各個領(lǐng)域都有許多應(yīng)用。在食品行業(yè)領(lǐng)域,區(qū)塊鏈技術(shù)可用于改善和確保食品價值鏈體系各個方面的更高性能,如食品安全、食品質(zhì)量和食品可追溯性。
  由于在供應(yīng)鏈的各個階段,如機(jī)器人和智能傳感器的植入,4IR時代的特點是工業(yè)生產(chǎn)過程中高度的自主性智能系統(tǒng)。機(jī)器人和自主系統(tǒng)一直在發(fā)展成為很有前途的技術(shù),以提高食品供應(yīng)鏈的質(zhì)量、生產(chǎn)力和效率。智能傳感器在食品行業(yè)中越來越多地用于各種生產(chǎn)設(shè)備中,以智能地實時控制、監(jiān)控和優(yōu)化多個制造任務(wù),同時提高可追溯性和食品質(zhì)量。例如,基于光譜學(xué)的光學(xué)傳感器已被越來越多地應(yīng)用于檢測電磁輻射頻率的變化,以監(jiān)測食品質(zhì)量、真實性或食品加工。
  近年來,數(shù)字孿生和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS)作為工業(yè)4.0的重要數(shù)字元素越來越受歡迎。數(shù)字孿生是一種創(chuàng)新的模擬技術(shù),將計算機(jī)模擬納入實際操作。例如,這種新興技術(shù)可用于延長貨架期和減少食品損失,預(yù)測未來食品的質(zhì)量和安全,并改進(jìn)產(chǎn)品及工藝的設(shè)計和控制。CPS指的是計算和物理過程的集成,盡管根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域在文獻(xiàn)中可以找到許多其他定義。CPS仍被認(rèn)為是工業(yè)4.0基礎(chǔ)的一部分,甚至在一些出版物中被認(rèn)為是工業(yè)4.0的同義詞。
  目前關(guān)于食品工業(yè)4.0的綜述論文是有限的,盡管最近的一些文獻(xiàn)在食品系統(tǒng)的不同點上討論了這一廣泛的主題。例如,Jambrak等人(2021年)回顧了一些工業(yè)4.0平臺(如人工智能、大數(shù)據(jù)和智能傳感器),主要將重點放在非熱食品加工技術(shù)上。查普曼等人也對食品工業(yè)中的特定4IR技術(shù)進(jìn)行了簡短的概述,建議物聯(lián)網(wǎng)和智能數(shù)字技術(shù)作為水果和蔬菜在采后供應(yīng)鏈中減少損失的工具。在另一篇綜述論文中,將區(qū)塊鏈技術(shù)作為提高食品可追溯性和消費信任的一種很有前途的解決方案,以減少整個食品供應(yīng)鏈上的食物浪費和損失。
  本文將重點回顧最相關(guān)的食品工業(yè)4.0技術(shù)和相關(guān)的數(shù)字轉(zhuǎn)型。這些技術(shù)包括人工智能、ML和大數(shù)據(jù)分析、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、智能傳感器和機(jī)器人技術(shù)、數(shù)字孿生及CPS等。雖然本文中討論的大多數(shù)主題之前都有了更詳細(xì)的回顧,本文旨在提高人們廣泛考慮新興技術(shù)重要性的意識。解決工業(yè)4.0的一個重要原則,即先進(jìn)科學(xué)各個領(lǐng)域之間的融合,特別是物理、生物和數(shù)字學(xué)科。
  2.工業(yè)革命的歷史概況
  工業(yè)革命是一個歷史演進(jìn)(圖2),其特點是在工業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)了開創(chuàng)性的進(jìn)步,這主要與技術(shù)進(jìn)步有關(guān)。因此,生活方式和日?;顒佣际艿搅擞绊?。每一場工業(yè)革命的開始和結(jié)束的日期都有爭議,因為它們所涉及的活動多樣性,以及不同國家的工業(yè)發(fā)展不均衡。

圖2  過去和當(dāng)前工業(yè)革命的演進(jìn)示意圖
  第一次工業(yè)革命(18-19世紀(jì)早期)的特點,是第一次利用蒸汽機(jī)動力機(jī)械的發(fā)明和升級來強(qiáng)化生產(chǎn)效率。這些工廠被組織起來,是為了容納更多的工人和機(jī)器,并在更短的時間內(nèi)生產(chǎn)更多的產(chǎn)品。在此期間,紡織、煤炭、鋼鐵以及化工行業(yè)不斷增強(qiáng),同時一些食品從家庭作坊轉(zhuǎn)向工廠制造業(yè)。
  第二次工業(yè)革命(19-20世紀(jì)初)機(jī)械化的發(fā)展,源于第一次工業(yè)革命時期生產(chǎn)力的加強(qiáng)和擴(kuò)張。在此期間,機(jī)床行業(yè)得到了鞏固,內(nèi)燃機(jī)得到了發(fā)展,促進(jìn)了交通運輸?shù)母具M(jìn)步和汽車工業(yè)的誕生。在工業(yè)層面上,輸送機(jī)的使用加速了生產(chǎn)過程,從而提高了效率和工業(yè)能力。隨著這些技術(shù)的進(jìn)步,新材料(如合金、輕金屬和合成塑料)的研究和創(chuàng)新也得到了發(fā)展。此外,電力受到了更多的關(guān)注,并取代了蒸汽動力機(jī)器用于工業(yè)活動,使大規(guī)模生產(chǎn)得以實現(xiàn)。
  第三次工業(yè)革命(也被稱為數(shù)字革命,從20世紀(jì)下半葉到21世紀(jì)初)包括從模擬電子系統(tǒng)到數(shù)字電子系統(tǒng)的過渡。計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)是重大的技術(shù)進(jìn)步,它加速了通信,促進(jìn)了世界各地的連接。此外,生產(chǎn)也通過使用電子系統(tǒng)實現(xiàn)了自動化。在此期間,核能的開發(fā)和使用變得越來越重要,以滿足工業(yè)、公眾和家庭消費者日益增長的需求。
  當(dāng)前的4IR或工業(yè)4.0(21世紀(jì)早期)以高科技的發(fā)展為標(biāo)志,主要是基于互聯(lián)網(wǎng)、完全自動化和與數(shù)字技術(shù)的集成。這場正在進(jìn)行的革命結(jié)合了物理、數(shù)字和生物科學(xué),并實時創(chuàng)建所有行業(yè)利益相關(guān)方之間的溝通和連接。大規(guī)模生產(chǎn)的自動化正在進(jìn)行優(yōu)化,包括定制和個性化需求。工業(yè)4.0發(fā)展的主要技術(shù)是大數(shù)據(jù)、ML、人工智能、智能傳感器、區(qū)塊鏈、網(wǎng)絡(luò)安全、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、數(shù)字孿生和CPS等。這些先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和其他新興技術(shù)提高了食品行業(yè)的生產(chǎn)和運營效率,但也導(dǎo)致了食品供應(yīng)鏈的一些中斷,并對環(huán)境可持續(xù)性產(chǎn)生了負(fù)面影響。
  從食品工業(yè)的角度來看,最相關(guān)的工業(yè)4.0技術(shù)將在下面的章節(jié)中進(jìn)行更詳細(xì)的討論。但是,需要強(qiáng)調(diào)的是,這些工業(yè)4.0元素在文獻(xiàn)中可能會有不同的引用,這主要是由于它們在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。例如,一些作者聲稱,物聯(lián)網(wǎng)和信息、通信技術(shù)(ICT)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域工業(yè)4.0的支柱。其他則將數(shù)字化包括區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能作為農(nóng)業(yè)食品供應(yīng)鏈管理的行業(yè)4.0助推器。機(jī)器人和自動化、網(wǎng)絡(luò)安全、云計算、3D打印、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實已經(jīng)被列入上述數(shù)字技術(shù),認(rèn)為它們對食品物流的可持續(xù)發(fā)展非常重要。而與數(shù)字化、機(jī)器人技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算相關(guān)的連通性則被視為智能食品加工工業(yè)4.0的核心。另一個令人困惑的問題是文獻(xiàn)中對這些新興技術(shù)的不同定義、符號和術(shù)語;例如,它們在一些參考文獻(xiàn)中可能被稱為破壞性技術(shù)。因此,對工業(yè)4.0及其授權(quán)技術(shù)的一致性定義尚未出現(xiàn)。
  3.第四次工業(yè)革命的技術(shù)
  從食品的角度來看,主要的工業(yè)4.0技術(shù)將在下面的章節(jié)中進(jìn)行更詳細(xì)的討論。
  3.1. 大數(shù)據(jù)、ML、人工智能和云計算
  大數(shù)據(jù)最初與三個V相關(guān):體積(Volume)、速度(Velocity)和多樣性(Variousness),即不同類型的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),創(chuàng)造了傳統(tǒng)軟件無法處理的卷。后來,更多的V被添加到定義中:真實性和價值(Value),指的是真實性和可用性,已經(jīng)變得比大小和速度更加必要。因此,大數(shù)據(jù)能夠以新的和有效的方式解決商業(yè)和社會問題,并且徹底改變了許多領(lǐng)域,如電信、交通和金融。即便如此,在許多領(lǐng)域,大數(shù)據(jù)的炒作已經(jīng)轉(zhuǎn)向了關(guān)注數(shù)據(jù)質(zhì)量,因為人們意識到數(shù)據(jù)的價值在于它的見解,而不是它的大小。
  ML是一組方法和算法,用于尋找數(shù)據(jù)中的模式,并進(jìn)行預(yù)測或分類。原則上,ML涵蓋了所有使用數(shù)據(jù)來適應(yīng)一個模型的過程,其范圍從經(jīng)典的統(tǒng)計方法,如普通偏最小二乘回歸法(LSR),通過化學(xué)測量方法,如偏最小二乘法(PLS),到更現(xiàn)代和數(shù)據(jù)密集的方法,如支持向量機(jī)(SVM)、隨機(jī)森林算法(RF)、K近鄰法(KNN)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)。深度學(xué)習(xí)在ML領(lǐng)域一直很重要。深度學(xué)習(xí)由具有學(xué)習(xí)能力強(qiáng)為特征的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組成,使得從復(fù)雜數(shù)據(jù)中預(yù)測特性成為可能,而不需要手動提取數(shù)據(jù)的特點。食品工業(yè)中大多數(shù)成功的深度學(xué)習(xí)應(yīng)用都涉及到圖像分析,但最近的研究也表明,深度學(xué)習(xí)能免除對光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理。
  人工智能系統(tǒng)可以通過感知、理解、扮演、學(xué)習(xí)和解釋來模仿人類的智能。工業(yè)人工智能是一種虛的或狹隘的人工智能應(yīng)用,它可以執(zhí)行明確定義和專門的任務(wù);另一方面,強(qiáng)大的人工智能則使機(jī)器更接近于人類的智能。后者仍然只是人工智能開發(fā)的一個目標(biāo),目前還不存在。工業(yè)人工智能通?;谝粋€或多個傳感器和外部數(shù)據(jù)流,并結(jié)合ML算法,以及邏輯或因果約束。人工智能將數(shù)據(jù)和預(yù)測轉(zhuǎn)換為行動和說明,產(chǎn)生了諸如決策支持、異常檢測、自動過程調(diào)整和根本原因分析等解決方案。
  云計算(或云)及其擴(kuò)展(例如,霧計算和邊緣計算)是新的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng),用于在多個服務(wù)器上存儲數(shù)據(jù)。云計算已經(jīng)成為工業(yè)4.0中的一個重要元素,因為對管理需要,人們從各種網(wǎng)絡(luò)平臺中獲得大量數(shù)據(jù)的需求不斷增加。這些系統(tǒng)有許多優(yōu)點,包括易于共享、實時訪問信息和成本低,因為只有一家托管公司負(fù)責(zé)存儲和管理數(shù)據(jù)。主機(jī)公司還可以提供其他服務(wù),如基于云的應(yīng)用程序,這些服務(wù)在許多領(lǐng)域越來越流行。例如,云計算被用來最小化整個牛肉供應(yīng)鏈的碳足跡。然而,云計算的特點是集中計算和數(shù)據(jù)存儲,這導(dǎo)致了一些挑戰(zhàn),例如高延遲和與各種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不一致。最近,出現(xiàn)了其他網(wǎng)絡(luò)計算模式,如“霧和邊緣計算”,以克服使用云計算時遇到的限制。云計算是基于使用本地網(wǎng)絡(luò)(而不是使用云計算的核心網(wǎng)絡(luò)),并使計算、通信和存儲更接近最終用戶。邊緣計算類似于霧計算,允許由智能設(shè)備或傳感器生成的數(shù)據(jù)使用設(shè)備本身或設(shè)備附近的計算機(jī)進(jìn)行處理。然而,隨著云/霧邊緣平臺的快速發(fā)展和應(yīng)用,人們對安全和隱私問題越來越感關(guān)注。

圖3。沿食品價值鏈上的數(shù)據(jù)來源和信息流的概述。改編自《卡米拉里斯》、《字體》和《普拉納菲塔-Boldυ》
  3.1.1. 食物價值鏈中的數(shù)據(jù)類型
  食物鏈中的大多數(shù)數(shù)據(jù)驅(qū)動應(yīng)用都集中在儀器生成的數(shù)據(jù)上,但利用文本和事務(wù)性數(shù)據(jù)等新數(shù)據(jù)流的解決方案也在開發(fā)中。圖3顯示了沿食品價值鏈上的數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)驅(qū)動解決方案的廣泛概述。大多數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)的解決方案都利用了本地或內(nèi)部數(shù)據(jù),即在應(yīng)用程序附近生成的數(shù)據(jù)。其他的解決方案則依賴于整個價值鏈中不同類型的數(shù)據(jù)源的組合。由于與數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)所有權(quán)相關(guān)的各種問題,這類解決方案仍處于起步階段。
  3.1.2. 利用數(shù)據(jù)和人工智能解決了食品領(lǐng)域的挑戰(zhàn)
  精確農(nóng)業(yè):與ML結(jié)合的巨大數(shù)據(jù)集已經(jīng)在育種和遺傳學(xué)中使用了幾十年。即便如此,現(xiàn)代生物技術(shù)(如基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué))結(jié)合智能傳感器,對所選生物體的許多成員進(jìn)行廣泛的表型分析,使植物和動物能夠更有效和有針對性的育種。數(shù)據(jù)驅(qū)動的解決方案還可以解決農(nóng)業(yè)方面的許多操作挑戰(zhàn)。例如,提高產(chǎn)量、決定最佳收獲時間、高效的喂養(yǎng)/施肥、改善健康和福利,以及加強(qiáng)環(huán)境管理。
  食品加工:食品加工在許多方面類似于化學(xué)和制藥加工,相同的技術(shù)經(jīng)常在這些行業(yè)中使用。工藝流程分析技術(shù)(PAT)、先進(jìn)過程控制(APC)、模型預(yù)測控制(MPC)和統(tǒng)計過程控制(SPC)都是旨在監(jiān)控高價值屬性的概念,以提高效率、減少浪費和確保產(chǎn)品質(zhì)量。ML和AI已經(jīng)成為所有這些控制概念的重要組成部分,食品工業(yè)的一些分支已經(jīng)報告了成功的范例。除了優(yōu)化工藝和產(chǎn)品外,類似的方法還可以監(jiān)控加工設(shè)備,并催生了預(yù)測性維護(hù)等概念。
  創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā):持續(xù)的新產(chǎn)品開發(fā)是為了激發(fā)食品行業(yè)的競爭力。最近的研究表明,人工智能可以降低研發(fā)成本,提高新產(chǎn)品的成功率。此外,一些研究報告稱,社交媒體和在線社區(qū)的文本挖掘可以用來自動識別消費者需求和新產(chǎn)品創(chuàng)意。此外,一些研究已經(jīng)通過優(yōu)化可預(yù)測的質(zhì)量屬性,如感官特性、營養(yǎng)和保質(zhì)期,自動完成了配方和工藝條件的生成。后一種方法受益于使用混合建模,即ML和機(jī)械模型的組合。優(yōu)化框架原則上可以考慮到可持續(xù)性、供應(yīng)和政治信仰等多方因素。
  食品安全:食品欺詐和真實性是一個挑戰(zhàn),數(shù)據(jù)、ML和人工智能可以發(fā)揮重要作用,通過使用分析數(shù)據(jù)(如DNA和光譜學(xué))發(fā)現(xiàn)欺詐,以及通過監(jiān)控貿(mào)易流數(shù)據(jù)和分析媒體報告中的文章來開展早期預(yù)警。同樣,食源性疾病暴發(fā)的來源跟蹤,可以通過將高通量基因組數(shù)據(jù)與來自互聯(lián)網(wǎng)的文獻(xiàn),如新聞文章、社交媒體或評論網(wǎng)站,以及地理空間和社會環(huán)境信息相結(jié)合來完成。
  零售和市場營銷:消費者在零售商和網(wǎng)上留下了他們的態(tài)度、習(xí)慣和經(jīng)歷的數(shù)字痕跡,包括由智能手機(jī)捕獲的位置數(shù)據(jù)。零售商通常收集和分析這些信息,例如會員卡和在線雜貨數(shù)據(jù),用于個人客戶分析,這些數(shù)據(jù)可以預(yù)測購買行為,也可以用于創(chuàng)建個性化交易和優(yōu)惠。銷售預(yù)測可以幫助零售商進(jìn)行庫存管理(短期預(yù)測)和業(yè)務(wù)發(fā)展(長期預(yù)測)。最近的調(diào)查表明,ML技術(shù)可以通過將公司數(shù)據(jù)與來自外部來源的數(shù)據(jù)相結(jié)合來改進(jìn)這種預(yù)測。
  3.2. 智能傳感器和機(jī)器人技術(shù)
  要實現(xiàn)工業(yè)4.0的全面承諾,就需要對整個食品供應(yīng)鏈進(jìn)行實時監(jiān)控和測量。這反過來又需要傳感器,這些傳感器能夠通過在連續(xù)生產(chǎn)期間測量關(guān)鍵參數(shù)來監(jiān)控供應(yīng)鏈。傳感器無處不在,特別是隨著納米生物技術(shù)、納米傳感器和生物傳感器的最新進(jìn)展。它們已被用于開發(fā)許多領(lǐng)域的各種應(yīng)用,如環(huán)境、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)和食品工業(yè)部門。其他行業(yè)4.0技術(shù)(如大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生)的創(chuàng)新使數(shù)字傳感技術(shù)得以成長和蓬勃發(fā)展,提供了更高水平的智能和通信能力。智能傳感器已經(jīng)出現(xiàn)在整個食品價值鏈上,從農(nóng)場到餐桌各種光學(xué)光譜和非光譜傳感器可用于監(jiān)測和收集沿著食品供應(yīng)鏈的多源數(shù)據(jù)。
  3.2.1. 基于光譜指紋的傳感器
  智能傳感器,包括基于光譜學(xué)的光學(xué)傳感器,是工業(yè)4.0的主要特性之一。光譜指紋技術(shù),作為食品工業(yè)4.0的一部分(圖4),已經(jīng)從傳統(tǒng)的實驗室儀器發(fā)展到智能工廠中使用的小型化和自動化傳感器。工業(yè)4.0技術(shù)的最新進(jìn)步開創(chuàng)了便攜、經(jīng)濟(jì)和易于使用的小型化光譜學(xué)設(shè)備和傳感器平臺。這些傳感器的應(yīng)用已經(jīng)增加,其中包括對食品安全、成分、營養(yǎng)質(zhì)量、食品可追溯性、監(jiān)測加工和過程可持續(xù)性的控制(圖4)。

圖4  智能光譜傳感器的時間線發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域
  基于光譜學(xué)的傳感器一個有前景的應(yīng)用領(lǐng)域,是用酶蛋白水解來控制和優(yōu)化各種加工步驟(圖5),以從多個動物副產(chǎn)品中獲得高價值的產(chǎn)品。這些材料的高變異性和實時表征反應(yīng)仍然是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一些研究表明,可以利用基于紅外、熒光或拉曼光譜的智能傳感器來確定原材料的成分(如蛋白質(zhì)、脂肪和灰分含量),優(yōu)化加工參數(shù)(包括反應(yīng)速率、酶濃度、時間和溫度等),并確定最終產(chǎn)品的特征(如氨基酸組成和分子量分布)。因此,可以根據(jù)原料特性(不可控變量)和應(yīng)用的加工參數(shù)(可控過程變量)來預(yù)測一些質(zhì)量參數(shù),如蛋白質(zhì)水解物的感官特性。

圖5  光譜技術(shù)在監(jiān)測蛋白質(zhì)酶解主要步驟中的應(yīng)用  經(jīng)《施普林格自然》雜志許可轉(zhuǎn)載
  食品真實性和食品可追溯性是可以用數(shù)字化和智能傳感器解決的。光譜傳感器可以提供食品的真實指紋圖譜,可用于鑒定食品材料成分。在實驗室或小型化配置中的不同光譜傳感器(如熒光、紅外或拉曼),結(jié)合化學(xué)計量工具,已被用于鑒定食品。最近,秦等人(2020年)使用多模式高光譜成像技術(shù)來驗證魚片的新鮮度(新鮮與冷凍解凍產(chǎn)品)和種類(即六種不同的魚類,包括紅鯛魚、朱砂鯛魚、馬拉巴鯛魚、夏季比目魚、白鱸魚和羅非魚)。在用不同的數(shù)據(jù)集測試了24個ML分類器后,研究人員發(fā)現(xiàn),在可見光和近紅外區(qū)域的反射光譜技術(shù)具有最好的性能,可開發(fā)一種用于實時鑒別的低成本點光譜設(shè)備。
  3.2.2. 非光譜學(xué)上的智能傳感器
  食品工業(yè)將需要更多的傳感器、多傳感器、生物傳感器,以及可遠(yuǎn)程和實時操控的自主系統(tǒng),以提高生產(chǎn)力和效率,并提供對每個食品生產(chǎn)階段的完整監(jiān)測。除了上述光學(xué)傳感器外,許多電化學(xué)智能傳感器已被開發(fā)用于食品安全和質(zhì)量應(yīng)用。智能傳感器可用于過程控制,在食品加工過程中在線插入,或在過程結(jié)束時插入,以確保食品質(zhì)量,并保護(hù)消費者免受食品損壞/腐敗的困擾,例如,為食品包裝行業(yè)開發(fā)的傳感器。這些傳感器可以是條形碼、薄膜或標(biāo)簽等形式智能集成到“智能”包裝材料中,提供有關(guān)時間和溫度、濕度、氧水平、pH、化學(xué)成分或微生物污染變化的信息。
  納米技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)在食品技術(shù)和工業(yè)的許多領(lǐng)域得到了新的應(yīng)用。食品傳感器技術(shù)也受益于這些機(jī)遇(例如,可以獲得低成本、可靠和高靈敏度的納米復(fù)合材料)。因此,功能優(yōu)異的微納米器件正被用于替代傳統(tǒng)生物傳感器。西摩等人(2021年)報道了一個使用納米電化學(xué)傳感器進(jìn)行此類應(yīng)用的例子。通過開發(fā)適用于農(nóng)藥和亞硝酸鹽檢測的多用途電化學(xué)裝置,建立了為智慧農(nóng)業(yè)提供發(fā)展服務(wù)的傳感平臺。最終,該系統(tǒng)與一部智能手機(jī)建立了接口,以允許進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和處理。Ge等人(2022年)開發(fā)了一種便攜式無線智能納米傳感器,用于檢測肉制品中的特布他林(瘦肉精)。
  最近,人們的注意力都集中在基于智能手機(jī)的智能傳感器上,最近與農(nóng)業(yè)/工業(yè)4.0相關(guān)的文獻(xiàn)中有很大一部分集中在它們的開發(fā)上。使用關(guān)鍵詞:智能手機(jī)、傳感器和食物對Scopus數(shù)據(jù)庫(2021年10月完成)進(jìn)行了簡要搜索,發(fā)現(xiàn)此類出版物的數(shù)量有所增加(圖6)。事實上,自2019年以來,與這些關(guān)鍵詞相關(guān)的出版物數(shù)量增加了一倍,大多數(shù)研究集中在工程、計算機(jī)科學(xué)、化學(xué)、物理/天文學(xué),在較小程度上是醫(yī)學(xué)、生物化學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)工程和農(nóng)業(yè)生物科學(xué)(圖6)。人們對基于智能手機(jī)的裝置的日益關(guān)注與幾個因素有關(guān);其中,他們的相機(jī)實現(xiàn)了高水平的性能、廣泛的可用性和便攜性。此外,這些設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)分析相關(guān),沒有這些,數(shù)據(jù)收集就不會有效。然而,從化學(xué)的角度來看,這些裝置必須要得到充分的驗證,并準(zhǔn)確地估算它們的重復(fù)性是很重要的,特別是當(dāng)它們被用于分析復(fù)合矩陣時。
 
圖6  Scopus搜索關(guān)鍵詞的結(jié)果:“智能手機(jī)”、“傳感器”和“食物”
(a)2010-2020年期間已發(fā)布的文獻(xiàn)數(shù),(b)應(yīng)用科學(xué)領(lǐng)域的分布
  已經(jīng)有幾種基于智能手機(jī)的生物傳感器,被提出用于食品和飲料質(zhì)量控制的各種應(yīng)用。這些傳感平臺大多都集中在病原體和毒素的檢測上。例如:Sidhu等人的研究,他們開發(fā)了一種智能設(shè)備,在水培灌溉的水中實時測定李斯特菌??ɡ├热耍?021年)展示了一種紙質(zhì)傳感器檢測肉毒桿菌神經(jīng)毒素的適用性,并開發(fā)了類似的傳感器來檢測細(xì)菌種類,例如沙門氏菌、大腸桿菌、葡萄球菌和其他細(xì)菌種類,以及食品中的真菌和它們的代謝物。除了檢測細(xì)菌和毒素,還開發(fā)了幾種智能傳感裝置用于檢測有害物質(zhì),如食品基質(zhì)中的藥物和殺蟲劑,都具有良好的分析性能。
  將傳感器與射頻識別標(biāo)簽(RFID)進(jìn)行耦合,為食品質(zhì)量的實時監(jiān)測、跟蹤、控制和早期預(yù)警提供了機(jī)會。RFID是一種通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)頻器自動識別物體、動物和人的技術(shù)。例如,研究開發(fā)了一種沒有電池和數(shù)字傳感器標(biāo)簽的射頻識別技術(shù),來監(jiān)測包裝食品中氨的含量。利用電容和電阻的變化來評估傳感元件的靈敏度。結(jié)果表明,直接探測(基于電阻變化)在室溫下能夠檢測到至少3ppm的氨,響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為30min和60min。
  3.2.3. 自主機(jī)器人
  食品制造商正在努力滿足消費者對安全、健康和可持續(xù)食品的各種需求。工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)4.0的重要組成部分,可以解決食品工業(yè)中的一些挑戰(zhàn),如難以獲得適當(dāng)?shù)膭趧恿?,減少生產(chǎn)時間和成本。然而,食品行業(yè)有嚴(yán)格的安全和衛(wèi)生要求,由于對投資成本以及這項新技術(shù)的全部優(yōu)點缺乏了解,機(jī)器人在食品行業(yè)的應(yīng)用仍然有限。此外,食物是天然獨特的,有各種形狀、大小和顏色,這使得機(jī)器人在這些生產(chǎn)過程的自動化變得更加困難。機(jī)器人在食品工業(yè)中最常見的應(yīng)用是終端過程,如包裝和碼垛,這里的材料比較統(tǒng)一。
  最近,食品工業(yè)已經(jīng)開始迅速適應(yīng)工業(yè)4.0的原則和技術(shù)。因此,預(yù)計未來幾年機(jī)器人和自動化技術(shù)在這個行業(yè)將實現(xiàn)快速增長。各種食品工業(yè)領(lǐng)域(例如,食品加工)在生產(chǎn)過程的某些環(huán)節(jié)使用機(jī)器人,特別是在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)從中受益。例如,挪威肉類工業(yè)正變得高度自動化,使用機(jī)器人和更先進(jìn)的自動化設(shè)備完成多項任務(wù)(如屠宰場和肉類工廠的胴體切割和脫骨)。在初級和二級肉類加工中實施更多的自動化可以提高效率和生產(chǎn)能力,同時降低人工勞動強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。
  《未完待續(xù)》
 
http://www.ikaaw.com/news/show.php?itemid=34711
 
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