基于物聯(lián)網(wǎng)及DNA識(shí)別技術(shù)的牛肉溯源系統(tǒng)的研究

0引 言

進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，國(guó)內(nèi)外越來越多的食品安全問題暴露在公眾面前，例如瘦肉精、染色饅頭、皮革酸奶、新西蘭肉毒桿菌奶粉、馬肉風(fēng)波、三鹿奶粉、地溝油等事件。國(guó)外許多國(guó)家為應(yīng)對(duì)食品安全問題，紛紛頒布了法律法規(guī)。歐盟管理法規(guī) No.178 ／ 2002 要求從 2005 年 1 月起在歐盟范圍內(nèi)銷售的所有肉類食品都能進(jìn)行追蹤和追溯，否則不能上市銷售[1] ；美國(guó)農(nóng)業(yè)部運(yùn)用無線射頻識(shí)別（RFID）、條碼識(shí)別等電子標(biāo)識(shí)，建立國(guó)家動(dòng)物個(gè)體鑒別系統(tǒng)，能快速追溯到動(dòng)物的源頭 [2] ； 澳大利亞建立國(guó)家牲畜標(biāo)識(shí)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)動(dòng)物個(gè)體從出生到最后屠宰的全過程進(jìn)行追蹤[3]。

為擺脫國(guó)內(nèi)食品安全問題的困擾，提升國(guó)內(nèi)食品安全管理，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開始被應(yīng)用到食品溯源系統(tǒng)中。在物聯(lián)網(wǎng)溯源系統(tǒng)中，將生物技術(shù)和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，對(duì)食品的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷售等過程加以識(shí)別、追蹤，鎖定食品在每個(gè)環(huán)節(jié)中的實(shí)時(shí)信息，避免食品出現(xiàn)問題時(shí)，不能明確追責(zé)和管理混亂的局面產(chǎn)生。鑒于物聯(lián)網(wǎng)食品溯源系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，文中設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)及DNA 識(shí)別技術(shù)的牛肉溯源系統(tǒng)，監(jiān)管部門利用該系統(tǒng)對(duì)牛肉的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)進(jìn)行管理和規(guī)范，從源頭和細(xì)節(jié)上防范食品安全問題的出現(xiàn)。

1 安全溯源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 

DNA 作為遺傳物質(zhì)，具有較好的唯一性和不變性 [4]。在 溯源系統(tǒng)中，將牛的 DNA 經(jīng)過特征處理后，將得到的 DNA 編碼上傳 DNA 中央編碼數(shù)據(jù)庫，同時(shí)將中央服務(wù)器中的牛的 溯源信息與其 DNA 編碼關(guān)聯(lián)到一起，并將 DNA 編碼存儲(chǔ)于 RFID 標(biāo)簽或二維碼中，貼在分割肉塊包裝上，通過手機(jī)或掃 描器掃描 RFID 標(biāo)簽或二維碼就能獲得分割肉塊與肉牛個(gè)體 的銜接信息，這樣就能解決傳統(tǒng)動(dòng)物個(gè)體識(shí)別系統(tǒng)中信息被 篡改和個(gè)體識(shí)別緩慢的問題?；?DNA 識(shí)別技術(shù)的牛肉溯源 系統(tǒng)可以劃分為標(biāo)識(shí)、感知、傳送和信息處理四個(gè)環(huán)節(jié)，各 環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為 DNA 識(shí)別、RFID 標(biāo)簽、智能傳感器、 智能芯片和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代信息技術(shù)。

從物聯(lián)網(wǎng)功能架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可細(xì)分為五層，即感 知層、接入層、網(wǎng)絡(luò)層、支撐層和應(yīng)用層 [5]，如圖 1 所示。 

（1）感知層負(fù)責(zé)采集外部數(shù)據(jù)，例如 RFID及其閱讀器、 二維碼及其掃描器、各種傳感器等。 

（2）接入層主要將感知層采集到的信息上傳到遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)， 主要包括 WiFi、有線網(wǎng)、ZigBee 等短距離傳輸網(wǎng)絡(luò)。 

（3）網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，例如互聯(lián)網(wǎng)、3G／4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)。 

（4）支撐層主要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和處理，為應(yīng)用 層工作做準(zhǔn)備。 

（5）應(yīng)用層將上一層傳輸過來的數(shù)據(jù)經(jīng)過各種應(yīng)用軟件 處理挖掘之后呈現(xiàn)給用戶，這樣可以對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行科學(xué)規(guī) 劃和管理。

2 物聯(lián)網(wǎng)牛肉溯源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析 

2.1 牛肉產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu) 

在我國(guó)，牛肉產(chǎn)業(yè)鏈工序繁瑣、檢疫部門多重、產(chǎn)品品 種多樣、銷售渠道廣泛，一般要經(jīng)過育種養(yǎng)殖、屠宰加工、 批發(fā)零售等環(huán)節(jié)，因此，在復(fù)雜環(huán)境下完成肉牛的 DNA 采集 與編碼設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)傳輸、物流追蹤等環(huán)節(jié)是物聯(lián)網(wǎng)牛肉溯源 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 

產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，它主要由育種、養(yǎng)殖、屠宰加工、 銷售等主要環(huán)節(jié)組成。根據(jù)市場(chǎng)需求選擇優(yōu)良品種是科學(xué)養(yǎng) 殖的第一步，也是企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值的關(guān)鍵，所以育種信息也是溯 源的要求之一。在后續(xù)的養(yǎng)殖過程中，要把肉牛不同生長(zhǎng)階段 的基本體征、喂養(yǎng)的飼料、注射的疫苗、檢疫等基本信息上 傳中央服務(wù)器。當(dāng)牛育肥之后，就要送到屠宰場(chǎng)宰殺，然后送 到肉類加工廠加工包裝。在加工階段，監(jiān)管部門需要做好牛肉 的質(zhì)量檢疫，嚴(yán)格按照食品安全法規(guī)規(guī)范整條產(chǎn)業(yè)鏈。檢疫 合格后進(jìn)行包裝，根據(jù)市場(chǎng)二維碼或 RFID 的制作協(xié)議，制 作二維碼或 RFID 電子標(biāo)簽，貼在包裝好的產(chǎn)品上，直至銷售 送到消費(fèi)者手中。制作的二維碼或 RFID 電子標(biāo)簽嵌入了牛的 DNA 編碼信息，它將作為區(qū)分牛身份的唯一驗(yàn)證，也是能否 精確溯源的關(guān)鍵。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)牛肉溯源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 

牛肉安全溯源系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別肉牛個(gè)體及其關(guān)聯(lián)信息，食 品監(jiān)管部門利用它監(jiān)控和記錄養(yǎng)殖、加工、包裝、檢疫、運(yùn) 輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息，并把這些信息通過互聯(lián)網(wǎng)在電腦、手 機(jī)上呈現(xiàn)給消費(fèi)者。

牛肉產(chǎn)業(yè)鏈溯源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。溯源系統(tǒng)的主要 環(huán)節(jié)包括養(yǎng)殖、屠宰加工、運(yùn)輸、銷售四個(gè)環(huán)節(jié)。在牛的養(yǎng) 殖過程中，養(yǎng)殖戶需要把每頭牛的 DNA 編碼、產(chǎn)地、品種、 體重、防疫措施、飼料供應(yīng)等各種基本信息上傳中央服務(wù)器。 加工過程也需要把牛的加工措施、檢疫結(jié)果、各分割肉塊與 所屬肉牛的關(guān)聯(lián)關(guān)系等信息上傳到中央服務(wù)器。在運(yùn)輸過程中， 物流信息通過掃描車載 RFID 電子標(biāo)簽，把物流信息通過物 流服務(wù)器上傳中央服務(wù)器。產(chǎn)品包裝時(shí)，把每塊牛肉所屬肉牛 DNA 編碼嵌入到二維碼或電子標(biāo)簽中，并通過打印機(jī)打印出 來，貼在包裝上，消費(fèi)者掃描二維碼或者電子標(biāo)簽就可以訪問 中央服務(wù)器，了解購買的分割肉塊所屬的肉牛個(gè)體信息。

3 DNA 識(shí)別技術(shù)在牛肉溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用 

每頭牛都有獨(dú)一無二的 DNA 排序，將動(dòng)物 DNA 識(shí)別技 術(shù)引入到牛肉溯源系統(tǒng)中，用牛的 DNA 編碼信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 耳標(biāo)編碼來識(shí)別牛的個(gè)體身份，從而構(gòu)造了一個(gè)新的肉牛身份 識(shí)別模塊 [6]。DNA 測(cè)序技術(shù)又稱基因測(cè)序技術(shù)，即測(cè)定 DNA 分子中胸腺嘧啶 (T)、腺嘌呤 (A)、鳥嘌呤的 (G) 與胞嘧啶 (C) 這些堿基的排列方式。堿基對(duì)之間因?yàn)橛袣滏I作用，其配對(duì) 方式必須遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則。

DNA 密碼以一系列三聯(lián)體形式存在于 DNA 分子中， DNA 分子中相鄰排列的三個(gè)堿基就形成一個(gè)三聯(lián)體密碼，一 系列三聯(lián)體密碼構(gòu)成 DNA 密碼，DNA三聯(lián)體密碼如 4 圖所示。 提取 DNA 的目的在于從動(dòng)物細(xì)胞 DNA 中測(cè)出堿基對(duì)排列順 序，得出一系列 DNA三聯(lián)體密碼，這樣就可以通過 DNA 編 碼的互異性來識(shí)別不同個(gè)體。

圖5所示是DNA識(shí)別技術(shù)在牛肉溯源系統(tǒng)中應(yīng)用流程圖。 在養(yǎng)殖階段，采集肉牛的 DNA 并將其處理，得到 DNA三聯(lián) 體密碼，然后將提取的一系列 DNA三聯(lián)體密碼做特征信息處 理，得到 DNA 編碼，并將 DNA 編碼上傳數(shù)據(jù)庫注冊(cè)，同時(shí) 把 DNA 編碼與中央服務(wù)器里每頭肉牛的養(yǎng)殖、屠宰、加工、 包裝、配送等環(huán)節(jié)的相關(guān)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并制作成二維碼或 者電子標(biāo)簽，貼到產(chǎn)品包裝上。當(dāng)肉類食品出現(xiàn)安全問題時(shí)， 可以掃描牛肉產(chǎn)品包裝上嵌有DNA編碼的二維碼或電子標(biāo)簽， 直接訪問 DNA 編碼中央數(shù)據(jù)庫，找到發(fā)生食品安全問題的肉牛個(gè)體，然后與中央數(shù)據(jù)庫的溯源信息銜接，此舉可以通過 DNA 編碼中央數(shù)據(jù)庫和中央數(shù)據(jù)庫快速查找到安全問題產(chǎn)生 的環(huán)節(jié)，節(jié)約了大量時(shí)間。

4 溯源系統(tǒng)中存在的主要問題 

提出基于物聯(lián)網(wǎng)及 DNA 識(shí)別技術(shù)的牛肉溯源系統(tǒng)的解決 方案，希望通過研究能夠提高牛肉類食品的安全性，發(fā)展物聯(lián) 網(wǎng)與生物技術(shù)在食品安全方面的應(yīng)用，提升出口肉類食品的國(guó) 際競(jìng)爭(zhēng)力 [7]。但由于技術(shù)發(fā)展的瓶頸，還有諸多問題需要解決。

首先，DNA 識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)高成本投入技術(shù)，在現(xiàn)階段 做一項(xiàng)基因測(cè)序往往要花費(fèi)數(shù)千元，在養(yǎng)殖規(guī)模很大的情況下， 要求每頭牛都做基因測(cè)序是一項(xiàng)不菲的投入，所以很難在現(xiàn) 階段大規(guī)模推廣應(yīng)用 [8]。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，DNA 測(cè)序技術(shù)的成本將不會(huì)是制約這項(xiàng)溯源系統(tǒng)應(yīng)用的主要因素。

其次，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈提供的溯源信息的可信性也是制約溯 源結(jié)果可靠與否的重要因素。因此，監(jiān)管部門需要嚴(yán)格監(jiān)督產(chǎn) 業(yè)鏈每個(gè)環(huán)節(jié)提供的信息是否可靠，只有這些關(guān)聯(lián)信息真實(shí) 可靠才能保證溯源成功。

5 結(jié) 語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)可靠的將牛肉的溯源信息反饋 給消費(fèi)者和市場(chǎng)管理部門，基于其諸多優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建基于物聯(lián) 網(wǎng)及 DNA 識(shí)別技術(shù)的牛肉溯源系統(tǒng)。方案將 DNA 識(shí)別技術(shù) 與其他現(xiàn)代信息技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，使溯源可以從產(chǎn)業(yè)鏈源頭開始， 讓整個(gè)溯源過程變得更加快捷、透明，使牛肉市場(chǎng)得到更好 的管理和規(guī)范，從而提高了養(yǎng)殖企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和自身價(jià)值， 增強(qiáng)了消費(fèi)者的消費(fèi)信心。因此，該系統(tǒng)的研究和使用，將會(huì) 給企業(yè)和社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。