在全球化的食品供应链中,确保信息的准确性和透明度对于维护食品安全和质量至关重要。然而,溯源信息易篡改问题日渐显著,成为一个不可忽视的挑战。且目前篡改行为广泛,涉及食品的原产地、成分、加工过程和质量标准等多个方面。这不仅误导消费者,还可能引发健康风险并损害品牌信誉。为解决这些问题,建立有效的溯源系统至关重要。
食品溯源的目标主要是实现食品可追溯、公正透明、信息不被篡改[1]。但传统的溯源技术和方法仍面临诸多挑战。首先,传统溯源系统依赖中心化数据库,易受到数据篡改和网络攻击的风险[2]。其次,不同供应链参与者之间信息孤岛问题导致数据共享和透明度不足,使参与者之间缺乏足够的信任。使用区块链技术构建食品溯源系统可有效解决上述问题,提高信息的不可篡改性和透明度,并加强系统的可靠性。
区块链具有去中心化、不可篡改、分布式存储、数据可追溯等特点。因此,使用区块链存储信息可以有效减少传统溯源中信息易被篡改、信息分布不对称等问题。目前,区块链广泛应用于农业[3]、医疗健康[4]、金融[5]、教育[6-7]等各个领域。随着区块链技术的不断完善,在食品行业中也逐渐得到应用,如表1所示。目前沃尔玛通过建立中国区块链可追溯平台,涵盖十多个不同的品类,从鲜肉、蔬菜、海鲜等到其他品类,消费者通过扫描商品上的二维码,可获取商品的来源、地理位置、物流过程、产品检测报告等详细信息,极大增强了消费者对产品的信任度和满意度[8]。因此,将区块链技术应用在食品信息溯源系统中不仅是非常必要的,而且是可行的。总体而言,基于区块链的食品溯源系统不仅能为消费者提供可靠的食品信息,同时促进了整个食品供应链的可持续发展,并成为保障食品信息不可篡改重要工具。
表1 区块链技术在食品中的应用案例
Table 1 Application cases of blockchain technology in food
食品类型描述文献果蔬构建“数据库+区块链”链上、链下溯源信息双重存储结构,实现信息高查询且信息不可篡改。并将区块链技术与密码学相结合,实现区块链网络中隐私数据的安全共享。[9]酒类设计出基于区块链的葡萄酒供应链的模型和仿真,并对传统供应链与基于区块链的供应链进行比较,结果表明,基于区块链的供应链能够确保交易信息的不可篡改,从而降低数据欺诈的风险。[10]肉类构建基于区块链的牛肉溯源系统,提高了供应链的透明度和可追溯能力。[11]乳制品提出一个基于区块链的乳制品追溯框架,确保交易信息的不可篡改,并采用智能合约管理供应链中的利益相关者和创建自动化机制。[12]农产品提出一种基于以太坊区块链的可信农产品溯源系统,并提出“区块链+星际文件系统”的双存储模型,降低了区块链的存储压力,实现高效的信息查询。[13]清真食品开发出一种基于区块链和智能合约的概念框架,增强清真食品供应链的完整性,并提高清真食品供应链从农场到餐桌的可追溯性。[14]
1 食品溯源信息面临的问题
由于食品溯源过程涉及到的环节众多,加之相关法律法规缺乏,许多非法商贩通过伪造数据谋取非法利益,主要体现在以下5个方面：a)原料品种信息,如用青苹果酿造所谓的“法国香槟”等;b)在生产环节添加产品配料表外的其他成分,如为增加奶粉含氮量非法添加三聚氰胺;c)在销售环节篡改产品的生产日期以及货架期,导致消费者购买到超过保质期的食品;d)篡改产品的原产地信息,如五常大米的年销售量远大于其年产量;e)其他,如伪造酒的年份或酿造食醋的陈酿年份等。
基于此,采用区块链技术存储溯源信息,能够确保食品从农田到餐桌的全链条信息的不可篡改。这种透明且安全的记录方式不仅增强了食品信息可靠性,同时提升了消费者对食品供应链的信任。
2 区块链技术
2.1 区块链概述
区块链虽然是比特币的底层核心技术,但并不等同于比特币。该项技术于2008年由化名为中本聪的人在《A peer-to-peer electronic cash system》论文中首次提出[15]。区块链本质上是一个持续增长的分布式数据库[16],也可被视为一种去中心化且无需信任的新型数据架构[17]。从字面意思理解,区块链由“区块”和“链”组成,是一种链式结构。区块可理解为一组交易记录的集合,记录着所有交易信息。1个区块由两部分组成：区块头和区块体,区块体中包含了系统生成的一系列交易数据,通过Merkle根的形式存储在区块头中,Merkle根与前一区块的哈希值、时间戳和随机数等组成一个完整的区块[18]。区块结构如图1所示。
图1 区块结构
Fig.1 Block structure
2.2 区块链特点
2.2.1 数据防篡改与可追溯
区块链通过构建Merkle树结构存储区块中的所有交易记录,确保交易数据的不可篡改[19]。Merkle树基于哈希运算,其单向性意味着任何交易记录的篡改都会导致区块哈希值的变化。若想篡改的数据不被发现,必须更改该区块以及后续所有区块的哈希值,这一过程要求必须篡改网络中51%以上的节点,但这一过程是几乎不可能实现的。此外,每个区块除包含自身的哈希值外,还包括前一个区块的哈希值,从而形成链式结构。且每个区块都详细记录了其生成的时间戳,使得可以追溯到任何一笔交易的详细信息。
2.2.2 去中心化与分布式存储
去中心化是指在区块链网络中不依赖任何中央机构,而是采用分布式存储,由众多独立的节点共同维护和控制网络[20]。每个节点都能记录和存储所有交易信息。在食品溯源中,从原材料采购到最终销售的每个环节的信息都可以被记录在区块链上。信息一旦被记录,无法被篡改或删除,确保了数据的不可篡改和透明性。
2.2.3 智能合约
智能合约的概念由美国著名密码学家Szabo于1994年提出,是一种以信息化方式传播、验证和执行合同的计算机协议[21]。在区块链技术中,智能合约使在无需第三方机构介入的情况下进行透明、不可逆的可信交易成为可能,并且是在区块链上直接验证和执行。在食品供应链中,智能合约可以实现多个环节的自动化。例如,一旦供应链的某个环节满足特定条件(如货物到达指定地点、质检报告合格等),智能合约便自动执行相关的操作。此外,智能合约还可以与物联网设备集成,以实时监控食品供应链中的各种条件[22]。
2.2.4 共识机制
共识机制是区块链网络中实现去中心化决策的核心,使网络中的各个节点能够在无需中央机构的情况下达成共识[23]。这一机制的具体要求取决于采用的共识类型。例如,在食品供应链中产生的各种信息一旦被记录在区块链上,任何参与方都无法单方面修改这些信息,除非得到网络中相应多数节点的支持。
3 区块链在食品溯源中的应用
食品溯源系统在整个食品供应链中扮演着至关重要的角色。食品供应链涵盖了食品从农场到餐桌的全过程,主要包括食品生产加工、贮藏和配送3个关键环节。面对这些环节可能遭受的威胁,如伪造和篡改数据,区块链技术通过其独特的加密和不可篡改等特性,提供了关键的保护措施,确保食品供应链中信息的完整性和不可篡改性。
3.1 区块链在食品加工中的应用
食品加工是将原料通过各种物理或化学方法转变为食品的过程,涉及研磨、冷却/冷冻、烟熏、加热、灌装、发酵、干燥和挤压蒸煮等多种操作。生产加工过程中的信息能够对食品的品质产生直接影响。因此,监控整个生产过程的信息对于确保食品质量至关重要。
例如,BASNAYAKE等[24]提出基于区块链技术的系统,将生产加工信息存储于区块链,以保证食品供应链中产品质量并提高供应链的透明度。且该系统利用二维码(quick response code,QR码),将产品的虚拟信息与实际的物理产品相映射,使消费者能够扫描QR码获取产品的准确信息。ARENA等[25]提出基于物联网和区块链技术的应用程序,用于追踪特级初榨橄榄油的生产与供应链信息,确保橄榄油信息的不可篡改,同时确保供应链的透明度以及橄榄油的质量。YU等[26]提出基于智能合约和质量评估模型的果汁生产监控系统。该系统根据生产数据建立响应面模型,确定各阶段的最优生产条件。在实际生产中,将生产数据记录在区块链上,并执行智能合约评估产品的质量。该过程减少了人工干预的需求,提高了果汁信息的可靠性。此外,文献针对传统溯源系统存在的问题,运用动态区块链技术提高生鲜食品在供应链中的保鲜效果[27]。供应商将生鲜食品相关信息(如保鲜参数、物流信息)存储于区块链,零售商动态监控并收集所需信息,并支付相应收集和验证成本,确保获得真实的食品信息,从而提高生鲜产品质量。
3.2 区块链在食品贮藏中的应用
食品贮藏是指通过各种方法,如冷藏或干燥,防止食品腐败变质,延长食品的保质期限。在食品贮藏领域,区块链技术的应用主要体现在2个方面：a)提高食品追溯系统的效率和可靠性。例如,沃尔玛运用区块链技术将追踪芒果原产地的时间从7 d缩短至2.2 s,提高了整个供应链的透明度[28];b)增强消费者对食品来源和质量的信任。GARAUS等[29]引入了基于区块链的食品追溯系统,使消费者可以查询食品的可靠信息,例如产品的来源、有效期、食品成分等信息,提高了供应链的透明度并改善了消费者与零售商之间的信任。此外,区块链还可以与传感器结合,实时监控食品在贮藏过程中的关键参数,进一步保障食品信息的真实性。例如,文献介绍了基于区块链的活鱼无水运输监控系统,利用传感器实时监测质量参数变化(例如温度、湿度、氧气等),提高鱼类存活率,并将监控数据上传至区块链,有效防止数据信息被篡改[30]。
3.3 区块链在食品配送中的应用
食品配送是指将食品从生产地点运送到消费者手中的整个过程,是整个食品供应链中至关重要的一环。然而,这一环节常面临食品浪费和分配不均等问题。此外,还存在伪造中介机构盗取食品信息的丑闻,这些不法行为削弱了食品供应链的可靠性和安全性。为应对这些挑战并提高食品配送的效率,研究人员开发了一系列基于区块链的解决方案。
例如,SALAH等[31]提出一种基于以太坊区块链和智能合约的大豆追溯系统。该系统利用智能合约管理和控制供应链中所有参与者之间的交易,消除了对中介机构的需求,提高了大豆信息的可靠性,同时将交易信息存储在区块链中,保证信息的不可篡改性。BUMBLAUSKAS等[32]提出了一个从农场到消费者的鸡蛋分配系统,该系统利用物联网和区块链技术跟踪鸡蛋从农场到餐桌的整个过程,使用温度和湿度传感器跟踪整个鸡蛋供应链的关键点日期、时间、位置等信息,利用区块链存储,减少人工输入篡改信息的风险,保障信息的不可篡改,提高供应链的透明度,有助于消费者获取鸡蛋的真实信息。此外,文献提出一种创新方法,将物联网、区块链和城市远距离无线电网络相结合,为食品分配创建了一种可信且去中心化的方法[33]。通过使用传感器数据控制食品配送过程,实时监控运输过程中的位置、温度等信息,利用区块链进行存储,确保信息的不可篡改。
3.4 区块链与物联网
为进一步提高食品溯源系统的实时监控和数据捕获能力,区块链技术与物联网结合成为必然趋势。物联网作为一项成熟的技术,提供了一个快速可靠的数据获取和处理能力,在食品信息追溯方面发挥着重要作用。它通过集成射频识别(radio frequency identification,RFID)、全球定位系统等先进技术,有效地整合供应链不同阶段的信息流和物流,从而提高供应链的整体效率。区块链技术与物联网设备相结合,不仅提高了溯源信息的可靠性,而且对系统的可扩展性、安全性、不可篡改性、可追溯性都带来了显著的效果。
AHAMED等[34]针对清真食品供应链开发了一种基于区块链、RFID和QR码技术的追溯模型,在生产、加工和零售等环节,该模型利用RFID和QR码技术记录交易信息,减少人工输入篡改信息的风险,并通过智能合约实现物联网设备的自动化管理,同时将所有交易信息通过区块链进行存储,确保清真食品信息不被篡改,提高消费者的信任度,模型如图2所示。COCCO等[35]针对意大利的面包供应链,引入基于区块链和物联网技术的架构。物联网传感器用于监控和追踪食品在整个运输过程中的信息,并利用星际文件系统和以太坊区块链存储相关信息,确保信息不被篡改,提高供应链的透明度。ZHANG等[36]研究了基于区块链技术的生鲜水果供应链系统,从实物流、信息流和资金流3个方面提出了生鲜水果供应链模型。此外,针对传统防伪溯源技术存在的中心存储、数据易被篡改、信息不透明等问题,LU等[37]提出一种基于区块链和物联网的防伪溯源系统。该系统通过物联网设备采集食品的温湿度、重量和地理位置等信息,确保源数据的真实性和可靠性,并利用区块链存储食品生产、运输、销售过程中的追溯数据,保证数据的不可篡改。
图2 基于区块链、RFID和QR码的追溯模型
Fig.2 Traceability model based on blockchain, RFID and QR code
3.5 区块链与食品真实性认证
区块链技术在食品供应链各个环节已得到成熟应用,极大提高了数据的安全性和透明度。尽管如此,保障食品信息真实性的挑战依然存在。在食品行业,体系认证是建立、实施并保持管理体系的组织谋求第三方对组织体系运行进行认可的过程,认证的结果可以向社会提供信任,同时为行业的发展提供坚实的保障。此外,将区块链技术应用于食品真实性认证,可进一步保障食品信息的真实性。
为规范我国的食品真实性科技名词术语,中国食品科学技术学会食品真实性与溯源分会在2024年4月发布的《食品真实性科学共识》中,对食品真实性规定为：食品在符合安全和质量要求的基础上,其本质、来源、特性和声称是真实的,无可争议的,且满足预期的性质[38]。食品认证是验证食品与其标签说明(例如地理来源、生产方法、加工技术、成分等)是否相符的过程,以增强消费者对食品的信心,促进食品行业的可持续发展[39]。目前,食品真实性认证主要依赖以下技术：色谱法：气相色谱、液相色谱;质谱法：气相色谱-质谱联用、液相色谱-质谱联用;光谱法：原子吸收光谱法、近红外光谱法、拉曼光谱;同位素比值质谱法、核磁共振波谱法等。
运用区块链存储真实性数据,增强数据的可靠性,进一步保障食品信息的真实性。同时构建基于真实性技术的数据库,并将其存储于区块链,利用区块链不可篡改和去中心化的特性,确保认证信息一旦被记录,便不可更改,从而提高食品标签特定声称属性的可信度。此外,智能合约能够在满足预定条件时自动验证食品的合规性,实现认证流程的自动化。监督检测时,将相关检测数据上传至区块链,并通过智能合约自动完成验证,以此判断产品信息的真实性。
5 挑战
尽管区块链技术在食品溯源系统中展现出巨大的潜力,但将区块链技术应用于食品溯源系统仍面临着诸多方面的挑战：
5.1 数据的准确性与隐私保护
区块链技术在食品溯源中的核心优势是其数据不可篡改的特性。在实际操作中,数据的收集依赖于人工输入或自动传感器,这些方法都面临数据被恶意篡改的风险。因此,保障食品信息的真实性和完整性成为首要问题。此外,区块链技术虽然提供了一定程度的匿名性和安全性,但鉴于供应链的多样性和复杂性,使得利益相关方可能出于保护商业机密或个人隐私的考虑,不愿意公开其交易信息,如供应商的详细信息、生产过程的细节等[40]。数据一旦被记录在区块链上,其难以更改的特性可能对利益相关者的隐私权构成潜在威胁。为此,采用零知识证明等先进的加密技术和隐私保护技术,不仅能有效保护数据的真实性和完整性,还可以保护利益相关方的商业机密和个人隐私[41]。
5.2 智能合约
智能合约作为一种自动执行的编码,可以在无需第三方介入的情况下确保交易或协议的履行。然而,由于智能合约编程模式尚未完全成熟,可能会受到各种安全攻击,破坏区块链系统中数据的完整性和可靠性[42]。因此,确保智能合约的安全性对于保护食品供应链中的数据至关重要,以维护整个系统的信任和透明度。
5.3 数据存储与扩展问题
在食品溯源系统中,区块链面临的数据存储与扩展问题是迫切需要解决的关键挑战。特别是在食品加工领域,系统实时产生大量数据(达到千兆字节级别),不仅加剧了存储压力,同时增加了数据处理的复杂性[43]。因此,开发一个既兼容区块链技术又能有效管理和处理大量规模数据的食品加工系统,成为推动区块链技术在食品行业广泛应用的关键挑战之一。此外,随着用户数量和交易量的增加,信息溯源系统在交易吞吐量和扩展性方面面临挑战。高频信息交易可能超过区块链的处理能力,成为限制系统性的瓶颈。同时,随着业务规模的扩大,单一区块链扩展性问题可能影响数据的及时记录和验证,进一步增加系统的复杂性和管理难度[44]。因此,应从技术和结构上进行创新,结合人工智能与大数据技术赋能区块链,确保区块链技术能在信息溯源领域中高效且可靠地发挥作用。
5.4 法规与标准支持
为应对区块链3.0时代发展的需要,应进一步完善相关法律法规,可为区块链技术的应用提供一个更加稳定和支持性的环境。2017年6月《网络安全法》颁布实施,多为原则性条款且侧重于对个人信息的保护,故可出台有关保护国家大数据安全、大数据应用安全等方面的法律法规[45]。同年9月《数据安全法》发布实施,以保护数据安全、促进数据开发利用为首要目的,应完善其中区块链溯源信息的防护条款,明确保密范围与种类。此外,《区块链信息服务管理规定》也应进一步细化,出台防护数据安全的具体规定,以明确区块链溯源参与主体的信息保护法律责任[46]。
6 结论
区块链技术凭借其去中心化、分布式存储和数据不可篡改等特性,在食品溯源中取得了显著进展。本文系统地回顾并分析了区块链技术在食品生产加工、贮藏和配送3个关键环节的应用。同时,为进一步提高食品溯源系统的实时监控和数据捕获能力,归纳出区块链技术与物联网结合的具体案例。此外,针对食品特征声称易被造假现象,分析了区块链技术与食品真实性认证结合的可能性,通过智能合约编写真实性数据库,减少人工输入篡改的风险,提高信息的真实性。最后,提出区块链技术在食品溯源系统中面临的主要挑战。总的来说,区块链为食品溯源行业带来了广阔的应用前景,但仍需政府、企业、第三方认证机构等供应链的利益相关者通力合作、协同攻关,保障食品信息的真实性,为消费者提供更加透明、可信赖的食品选择。
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