趙巧潤，曹宇璇，曹怡凡，徐 笑 ，程抒劼，陳貴堂，曹崇江，袁 彪,

（1.中國藥科大學工學院食品質(zhì)量與安全系，國家中藥材加工技術(shù)研發(fā)專業(yè)中心，江蘇南京 210098；2.紹興文理學院生命科學學院，浙江紹興 312000）

隨著我國社會的不斷發(fā)展，人們生活水平逐漸提高，大家開始思考如何吃得放心、吃得安全、吃得健康。實際上，任何有關食品安全的問題，諸如質(zhì)量安全和假冒偽劣，都可以通過討論溯源系統(tǒng)來解決[1]。從全球角度出發(fā)，隨著人們收入的增加、生活理念的改變，食品的消費量逐年上漲。消費者對食品的營養(yǎng)價值、安全性和高品質(zhì)等需求也在不斷增加，加之全球化的發(fā)展，食品供應鏈正變得越發(fā)復雜[2]。未來農(nóng)業(yè)和未來食品必須回答有關食品安全、環(huán)境保護和盈利能力的問題，從以數(shù)量為導向的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向以質(zhì)量、安全、可持續(xù)性和功能為導向。隨著企業(yè)和全球市場變得高效，食品領域行業(yè)的競爭也正從“企業(yè)之間”轉(zhuǎn)向價值鏈，需要為食品提供附加價值[3]。

對于如何保障食品安全這個關乎國家安全，社會穩(wěn)定的重大問題，我國采取的解決措施逐漸從治理型向預防型措施轉(zhuǎn)變[4]，其中食品安全溯源系統(tǒng)和體系的構(gòu)建和建立最為引人注目。食品安全溯源系統(tǒng)主要解決信息領域的安全問題，降低危害發(fā)生風險，給消費者真實可感的安全感。不過，現(xiàn)有食品安全溯源系統(tǒng)中仍存在部分不足，由信息不對稱導致的逆向選擇、資源浪費和信任危機需要重視[5]。雖然現(xiàn)代化進程一直在推進，但食品領域由于供應鏈長、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多、食材來源復雜、人員流動大，諸多不利因素造成了社會對食品安全信心的匱乏?；ヂ?lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)時代的新技術(shù)，它具有去中心化和可防篡改等特點，整個過程可實現(xiàn)匿名的機器自治和程序?qū)徍?，應用在食品安全溯源體系中，能夠有針對性地解決信任危機，緩解資源浪費[6]。本文收集整理了近年來國內(nèi)外有關基于互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈技術(shù)的食品安全溯源研究和報道，梳理了相關的概念和基本原理，匯總了已經(jīng)落地的實際案例和發(fā)表的研究模型，分析了這類系統(tǒng)目前的主要優(yōu)勢、劣勢和發(fā)展阻力，概述了區(qū)塊鏈在食品安全追溯領域的應用，以及存在的問題和挑戰(zhàn)，為后續(xù)完善食品溯源體系和保障食品安全提供重要的參考信息，并對未來的食品安全發(fā)展提出了建議和展望，以期為未來的互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈技術(shù)在食品領域的廣泛應用提供參考。

1 現(xiàn)代食品安全溯源體系

食品安全溯源體系是指在食品產(chǎn)供銷的各個環(huán)節(jié)（包括種植養(yǎng)殖、生產(chǎn)、流通以及銷售與餐飲服務等）中，食品質(zhì)量安全及其相關信息能夠被順向追蹤（生產(chǎn)源頭—消費終端）或者逆向回溯（消費終端—生產(chǎn)源頭），從而使食品的整個生產(chǎn)經(jīng)營活動始終處于有效監(jiān)控之中。該體系能夠理清職責，明晰管理主體和被管理主體各自的責任，并能有效處置不符合安全標準的食品，從而保證食品質(zhì)量安全[7]。在產(chǎn)品需要考慮范圍內(nèi)，包括來源、應用及所在處，進行回溯或追蹤。整個體系的建立在改善供應鏈管理、提高留住現(xiàn)有客戶的能力、解決產(chǎn)品差異化、輔助產(chǎn)品質(zhì)量改進、減少客戶投訴、方便售后服務等方面有諸多益處[8]。

現(xiàn)代食品安全溯源體系建立在整個食品生產(chǎn)和食品供應鏈中，參與主體包括料供應、生產(chǎn)、加工、制造、分銷經(jīng)銷以及購買環(huán)節(jié)的消費者[9]。而整個體系即是在參與主體中建立，對可追溯主體進行追蹤和回溯，即追蹤從農(nóng)田到餐桌所涉及到所有相關食物、飼料及其他具有可食用性的動物或物質(zhì)及其特性的信息記錄與應用系統(tǒng)[10]。這些信息記錄可有效輔助食品安全監(jiān)管，增強消費者的信賴，為食品安全提供保障。

1.1 工作重點和運行

解決食品安全問題和質(zhì)量問題的有效途徑是提高食品安全溯源的透明度、安全性、耐久性和完整性[11]。現(xiàn)代食品安全溯源體系的主要目的是為了實現(xiàn)食品供應鏈的過程可感知，源頭可追溯，風險可預警。依照“向前一步，向后一步” 的原則，食品安全溯源系統(tǒng)的工作重點集中在三個方面：追蹤食品領域各個環(huán)節(jié)（種植養(yǎng)殖、生產(chǎn)流通、銷售、餐飲服務等）；進行順向追蹤或逆向追蹤；監(jiān)控整個生產(chǎn)經(jīng)營活動[12]。在全球貨物流動日益增加的時代，食品安全和質(zhì)量保證變得越來越困難，以次充好、掛羊頭賣狗肉等消費者最關心的食品真實性也難以保證，因此需要一個行之有效的食品溯源系統(tǒng)[13]。

目前主要的運行方式以記錄信息流，保障信息流的連續(xù)性為基礎。體系的運行是否有效主要看是否有標準統(tǒng)一的編碼標識，食品關鍵信息的采集、存儲、交換是否順利，能否保證信息不可偽造，不可篡改。因此需要格外關注體系的用戶身份驗證記錄，儲存量和傳輸體系[14]。

1.2 體系目前存在的問題

礙于我國的基本國情，食品安全溯源體系的應用進展十分緩慢?，F(xiàn)有食品安全溯源系統(tǒng)建立的時間并不長，相比于發(fā)達的西方國家存在一定的差距。目前食品安全溯源系統(tǒng)待解決的問題有很多：諸如信息采集過于依賴個人操作，信息搜集困難且不全面；整個供應鏈體系信息標準化不統(tǒng)一，難以流動；溯源系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫，儲存空間有限，易受攻擊，易被篡改。基于這些問題，體系無法發(fā)揮信息的潛在價值[15]。

食品安全治理過程中，食材的種植養(yǎng)殖、加工處理、儲存運輸、分銷售賣、檢查監(jiān)管中都存在著信息不對稱的問題。由于市場不規(guī)范、監(jiān)管不健全，溯源信息容易造假。在全國范圍內(nèi)推行食品溯源體系建設并非易事，面臨追溯成本過高，且追溯鏈條不統(tǒng)一，不同企業(yè)或地區(qū)需要重新組合等問題。這些問題導致食品安全溯源流于形式和浮于表面。各主體之間的利益因素和不同場景下的信息結(jié)構(gòu)差異，技術(shù)條件約束，治理成本過高等問題都是食品安全溯源面臨的困境[16]。其中有三大問題亟需解決：首先是監(jiān)管理念的更新，傳統(tǒng)理念的限制性思維難以形成對食品產(chǎn)業(yè)鏈的動態(tài)監(jiān)管。其次要建成覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、覆蓋全國的食品安全溯源體系，該領域的理論研究和技術(shù)應用都亟需改造升級。最后一點，物聯(lián)網(wǎng)、信息采集技術(shù)、數(shù)據(jù)庫、云儲存的出現(xiàn)，實現(xiàn)了以現(xiàn)代食品質(zhì)量檢測、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器遠程監(jiān)控系統(tǒng)為基礎的低成本追溯系統(tǒng)。但因生產(chǎn)銷售的整個流程中涉及的主體過多，影響體系的不確定因素過于繁瑣，實時監(jiān)控資源消耗大等原因，整個系統(tǒng)依舊存在體系管理難度大、效率低、數(shù)據(jù)存儲安全性低等重大挑戰(zhàn)[17]。

2 物聯(lián)網(wǎng)

食品安全溯源系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）及其相關技術(shù)為基礎存在的，物聯(lián)網(wǎng)通過將互聯(lián)網(wǎng)與各種有線式、無線網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)信息的實時傳遞，為食品的質(zhì)量監(jiān)控和可追溯性提供有價值的信息。但信息安全問題也是它的難點之一，其安全威脅主要來源于其應用層、網(wǎng)絡層、感知層[18]。

物聯(lián)網(wǎng)涉及到數(shù)以億計的設備，其標簽可以被嵌入任何物品，而用戶可能毫無察覺，有被使用射頻識別技術(shù)跟蹤和窺探隱私的風險。物品的詳細信息易受流量分析，泄露企業(yè)數(shù)據(jù)，本地服務器與遠程物品信息服務器之間傳輸需要保護。在物聯(lián)網(wǎng)中，信息從發(fā)送到被接受，接受方會反饋消息認證碼，這個認證碼被窮舉和數(shù)據(jù)監(jiān)聽等偽裝，就會造成嚴重的信息泄露。不僅如此，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)處理流式數(shù)據(jù)，一旦被攻擊，所有信息都會被竊取。建立數(shù)據(jù)庫+云儲存可以改善這一狀況，但在使用時需要反復傳輸，中央云服務器的負荷極大，數(shù)據(jù)安全性沒有保證。基于上述問題，對物聯(lián)網(wǎng)設備進行賦碼管理，規(guī)范終端的數(shù)據(jù)采集，限制權(quán)限訪問，采取防火墻技術(shù)等?？刹捎枚嗄Ｊ津炞C手段，人臉和指紋識別雙重認證，輔以接受認證消息，三重防護，通過智能模型進行異常數(shù)據(jù)監(jiān)測等措施[19]。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)

3.1 基本原理

區(qū)塊鏈技術(shù)源于一種基于密碼學的數(shù)字貨幣比特幣，是一種去中心化的電子記賬技術(shù)，信息在分布式節(jié)點中共享。應用區(qū)塊鏈技術(shù)的記賬系統(tǒng)，每記錄一筆交易都要廣播給所有人，此時每個人的賬本都是公開的[20]。用密碼學的方法將特定數(shù)量的賬單打包起來形成區(qū)塊，再按照時間順序鏈接這些不同的區(qū)塊，所形成的就是包含一大堆賬單信息的區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中所有節(jié)點都在系統(tǒng)中參與維護，用拜占庭算法作為模型可以得出結(jié)論，加上智能合約，區(qū)塊鏈作為一種可以實現(xiàn)機器自治的技術(shù)，無需信任的新型數(shù)據(jù)架構(gòu)[21]。且區(qū)塊鏈的實際應用情況相對復雜，需要在應用過程中不斷優(yōu)化。區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎可以大致概括為四個方面。

3.1.1 鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（去中心化分布式存儲） P2P（點對點）網(wǎng)絡傳輸?shù)膽?，讓每個節(jié)點既能接受信息也能產(chǎn)生信息，每一筆交易都用時間戳標記，構(gòu)成去中心化網(wǎng)絡，又稱作對等式網(wǎng)絡。每個節(jié)點既是客戶端，又是服務器，其信任源于數(shù)學方法，而非中心機構(gòu)，各點平等且有對完整數(shù)據(jù)庫信息的記錄，無需管制。交易的點對點傳輸需要驗證ID，而后廣播到整個網(wǎng)絡，每個節(jié)點都可以擁有完整的分布式賬本，減少對中心的依賴，防止因中心結(jié)構(gòu)的受惡意攻擊或損壞而導致整個系統(tǒng)癱瘓[22]。

3.1.2 非對稱加密 非對稱加密技術(shù)主要應用在數(shù)據(jù)加密和數(shù)字簽名。數(shù)據(jù)加密指利用時間戳為每筆交易生成一個相對應的ID，通常通過一定算法生成哈希值來標識自身的唯一性。數(shù)字簽名指交易信息的傳播需要數(shù)字簽名進行身份認證和身份認可，最常用的方法是橢圓曲線數(shù)字簽名。這種密碼學中誕生的非對稱加密技術(shù)為參與者提供對應的公鑰和私鑰，公鑰由私鑰通過算法得出，處于公開的狀態(tài)，而需要保密的私鑰無法用公鑰反推出來，因此只有擁有私鑰的使用者才能修改和認證數(shù)據(jù)，保證了匿名性質(zhì)，大大提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴Ｃ抗P交易的集合需要所有有效用戶的共同認證來形成對應的區(qū)塊，非對稱加密技術(shù)則保證了用戶的隱私和認證的可靠[23]。

3.1.3 共識機制 由于實際應用可能不涉及比特幣這樣的金融貨幣做激勵，相互不信任的參與者之間需要建立協(xié)議，使分散的數(shù)據(jù)保持一致性。這直接影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)的隱私安全和可靠性，當節(jié)點過多時，各個節(jié)點在一段時間內(nèi)所獲取到的事物發(fā)生的先后不可能完全一致，因此需要共識機制。共識機制依賴于自身算法的機理性，不受人為因素的影響，這也是解決不信任環(huán)境下各個節(jié)點達成一致的必要條件[24]。

3.1.4 智能合約 智能合約是以數(shù)字形式定義的承諾概念，指通過自動擔保程序?qū)崿F(xiàn)信息的自動釋放和轉(zhuǎn)移。智能合約是一種放在區(qū)塊鏈上運行的特定的合約程序，同時也是一種可編程的合約，將過去的紙質(zhì)和電子合約轉(zhuǎn)化為代碼存在于區(qū)塊鏈中，用相應算法生成唯一區(qū)塊鏈地址來標記，實現(xiàn)交易處理自動化。智能合約儲存在區(qū)塊鏈中，基本無法篡改，實現(xiàn)了區(qū)塊鏈的自我管理，進一步強化互信機制，甚至可能具有法律效能[25]。

3.2 區(qū)塊鏈的理論架構(gòu)模型

單個區(qū)塊由默克爾樹根存放該區(qū)塊唯一的哈希值，隨機數(shù)記錄解密該區(qū)塊的相關數(shù)學題的答案，將內(nèi)存包含進區(qū)塊里[26]。默克爾樹則是數(shù)據(jù)內(nèi)容存儲的主要形式，將樹根值保存到區(qū)塊的頭部，通過一定算法形成對應的哈希值，被加入當前區(qū)塊的父區(qū)塊哈希屬性中，形成區(qū)塊鏈。區(qū)塊中的時間戳賦予了交易時間維度，形成了對應的交易順序，讓時序數(shù)據(jù)走向了實現(xiàn)，這是數(shù)據(jù)可追溯性的來源之一。牽一發(fā)而動全身，區(qū)塊鏈的時間屬性可以保證數(shù)據(jù)的原始性和不可篡改性[27]。

4 基于區(qū)塊鏈的食品溯源系統(tǒng)

食品安全的信息不對稱和監(jiān)管難題一直是困擾我國食品安全現(xiàn)狀的大山，互聯(lián)網(wǎng)時代的到來為信息傳遞帶來了新的變革，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設食品安全溯源體系，保障食品安全信息，實現(xiàn)智慧監(jiān)管，將區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)溯源系統(tǒng)結(jié)合，是我國糧食產(chǎn)業(yè)發(fā)展由量變質(zhì)的關鍵[28]。

4.1 適用于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源體系編碼

將區(qū)塊鏈技術(shù)與精準農(nóng)業(yè)、大數(shù)據(jù)、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)等連接，應用電子標簽，如射頻識別技術(shù)、條形碼或2D網(wǎng)格代碼和事件記錄，把產(chǎn)品物流與信息流聯(lián)系起來，將事件記錄在整個食品供應鏈的區(qū)塊鏈中，構(gòu)成食品溯源系統(tǒng)[29]。溯源系統(tǒng)的首要問題是打破“信息孤島”，在整個食品供應鏈體系中建立有效且可靠的聯(lián)系，而溯源體系編碼的不標準是產(chǎn)生“信息孤島”問題的主要原因[30]。

現(xiàn)在國際廣泛采用的編碼標準是GS1（Globe standard 1），此系統(tǒng)的標識標準體系和信息交換標準體系能夠使被其標識的產(chǎn)品在全世界都能夠被掃描和識讀。GS1體系采用條碼和射頻識別技術(shù)標簽為信息載體，是目前國際上廣泛采用的產(chǎn)品追溯標準體系，具有采集速度快、可靠性高、靈活實用成本低等優(yōu)點，在供應鏈管理中應用廣泛，是實現(xiàn)供應鏈管理現(xiàn)代化的關鍵技術(shù)之一[31]。將GS1標準編碼與食品溯源體系相結(jié)合，打破“信息孤島”，在供應鏈中建立可靠聯(lián)系。

另一個問題則是食品生產(chǎn)加工過程中數(shù)據(jù)信息的來源問題，解決這個問題需要對應的信息標識技術(shù)。以往的信息主要由條碼傳遞，以條碼的形式呈現(xiàn)計算機可以閱讀的數(shù)據(jù)，是一種綜合性的技術(shù)[32]。條碼的制作成本低、技術(shù)要求低、采集速度快、可靠性高，自發(fā)明以來就被廣泛地傳播應用，是當前建立溯源系統(tǒng)的主流選擇，但存在一些缺陷，例如只能讀取、易偽造、掃描間距短、濕度和溫度的變化等環(huán)境因素會對條形碼造成損害等[33]。于是出現(xiàn)了更先進的標識手段：射頻識別技術(shù)電子標簽。

射頻識別技術(shù)是一種用頻射信號作為原理的非接觸式識別技術(shù)，是電子信息標識技術(shù)的新物理載體，體積小且與食品兼容。它將產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)的形式，實現(xiàn)采集、輸入、保存，避免人為因素可能產(chǎn)生的錯誤，自動化、高效率、可以實時交換數(shù)據(jù)。但它也存在一系列的問題，例如價格更為昂貴；安全方面由于靠無線電傳播，它的存儲和傳輸環(huán)節(jié)容易被攻擊操縱和泄露隱私等相關信息；無線傳輸相對更為脆弱，一旦被干擾，將對系統(tǒng)的正常服務產(chǎn)生巨大影響等[34]。

4.2 適用于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源體系架構(gòu)

要想將區(qū)塊鏈技術(shù)這樣一個“純線上”技術(shù)融合到食品安全這個實體產(chǎn)業(yè)領域，必須進行必要的調(diào)整和輔助包括物理架構(gòu)、參與主體、信息流走向[35]。

4.2.1 基本物理架構(gòu) 目前平臺主要有比特幣系統(tǒng)、以太坊、超級賬本三個，其中以太坊更為成熟，超級賬本更為靈活，是目前最主要的平臺[36]。數(shù)據(jù)庫層的數(shù)據(jù)儲存服務器由原來的中心服務器轉(zhuǎn)為分布式存儲數(shù)據(jù)庫，關系到區(qū)塊鏈的三種不同形式。公有鏈不設置額外權(quán)限，完全去中心化，所有節(jié)點全部公開，便于審核且高度透明，但執(zhí)行共識機制的時間長且能耗大。采用聯(lián)盟鏈或私有鏈的形式，雖然放棄了一部分去中心化，但只有合法用戶能夠訪問被授權(quán)的制定節(jié)點，可提升區(qū)塊鏈的擴展性，提高執(zhí)行效率。應用層主要用于嵌入應用程序或協(xié)議，用于人機交互入口。可以用軟件和應用接口等形式連接訪問用戶、供應鏈參與者、政府監(jiān)管部門、標準化組織[37]。吸取區(qū)塊鏈精華部分融入到食品溯源體系，可以使平臺運轉(zhuǎn)更高效精密。

4.2.2 參與主體 各個主體參與食品安全溯源體系的基本方式為：注冊——提交信息檔案——獲得私鑰、公鑰——進行身份認定登錄和訪問、傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中所有主體包括：提供唯一身份賬號的注冊機構(gòu)；定義、修訂標準的標準化組織；輸入信息的原材料供應、生產(chǎn)、加工制造、分銷、零售等；購買商品，訪問產(chǎn)品溯源信息的消費者；開發(fā)、維護軟件的可信任單位[38]。

4.2.3 信息流走向 全鏈信息流：第一步產(chǎn)品標識，食品信息錄入以條碼技術(shù)和射頻識別為主，通過掃描識別系統(tǒng)ID，將數(shù)據(jù)自動以電子文檔的形式輸入系統(tǒng)中。標識之后，智能合約開放權(quán)限、私鑰鏈接網(wǎng)絡、軟件界面輸入數(shù)據(jù)、過程審核、內(nèi)外溯源數(shù)據(jù)一同打包錄入。參與者之間達成協(xié)議，簽署各自的數(shù)字簽名，交易被核心層節(jié)點公證并全網(wǎng)廣播加鏈流向下一節(jié)點。其中需要注意的是：每打包一個節(jié)點，都需要是對應生產(chǎn)部門經(jīng)過身份認證后，被授權(quán)輸入信息。完成任務之后，打包成有時間戳的數(shù)據(jù)區(qū)塊，至此，信息流向下一層進行。時間戳、不對稱加密共同保證數(shù)據(jù)的可靠性、防篡改。每次錄入的數(shù)據(jù)需要包涵信息：帶有責任方簽名的時間戳；認證機構(gòu)信息；控制防偽權(quán)限的規(guī)則代碼；指定位置信息、 溯源關鍵線索、消費者最關注信息[39]。食品產(chǎn)業(yè)從原料到成品的信息被快速而準確地記錄，任意環(huán)節(jié)抽查也能做到精準定位。

4.3 聯(lián)盟鏈

應用于食品安全溯源系統(tǒng)的區(qū)塊鏈技術(shù)，在細節(jié)方面根據(jù)實際需求往往會做出共同的選擇，其中最典型的兩個是聯(lián)盟鏈和PBFT算法。公有鏈的區(qū)塊鏈完全的去中心化，在實際應用中存在許多不足之處。例如，一旦節(jié)點數(shù)超過一定限制，就會存在較高的網(wǎng)絡延遲；區(qū)塊鏈實際是一種有限的資源，不能直接處理和存儲由傳感器采集的大量數(shù)據(jù)，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲壓力大，需要消耗大量的資源和算力[40]。

聯(lián)盟鏈是現(xiàn)有食品安全溯源體系設計中最常用的方法，即部分去中心化的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，可以引入其他共識算法或技術(shù)，例如可以將各個節(jié)點分組分級，讓一個主節(jié)點領導整個共識過程處于一個視圖中，將所有節(jié)點分為三種不同的角色，各自實現(xiàn)不同的功能，可以有效提高區(qū)塊鏈的運行效率。這種區(qū)塊鏈雙鏈結(jié)構(gòu)與區(qū)塊鏈一起形成雙鏈存儲，在食品溯源過程中可以有效精簡節(jié)點數(shù)、安全可靠、可容納數(shù)據(jù)量大、提升整體效率，具有高性能、可編程、隱私保護等的優(yōu)點[41]。

4.4 適用于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品溯源體系優(yōu)勢體現(xiàn)

溯源鏈各階段的數(shù)據(jù)可靠，使食品保質(zhì)期更準確，從而顯著減少經(jīng)濟損失和食品浪費。切實履行溯源體系提高造假成本、提供危機預警、問題商品溯源等來維護食品安全的責任。權(quán)威機構(gòu)和政府機構(gòu)以聯(lián)盟鏈的形式介入，從系統(tǒng)中心轉(zhuǎn)移到邊緣，作為第三方信任中介，去中心化層級化，極大降低監(jiān)管成本，提升監(jiān)管運行效率，保障體系安全運轉(zhuǎn)，提高食品安全溯源體系公信力[42]。降低企業(yè)參與監(jiān)督管理的成本，提高企業(yè)對食品安全管理的積極性。且區(qū)塊鏈所采取的布式儲存使信息分流，降低了系統(tǒng)運行所需帶寬，有效避免了資源浪費。保障體系的正常運行是聯(lián)盟鏈中主鏈副鏈的各個參與主體的共同責任，不依賴數(shù)字貨幣，且風險小。

由于機械化程度高，采用機器采集標準化的數(shù)據(jù)和程序判定，避免了企業(yè)人工作業(yè)時參與人員選擇性屏蔽對自己不利的信息，篡改食品信息。共同維護，所有人參與，供應鏈內(nèi)部制定規(guī)則制度，供應鏈外部提供安全設備和系統(tǒng)安全規(guī)則，使得食品從種植到商品化的過程確保全程真實有效，便于追蹤。在最長鏈原則等算法基礎下，區(qū)塊鏈有很強的容錯和抗網(wǎng)絡變換特性，這些無法篡改的信息在整個溯源體系中的存在，側(cè)面也增強了對產(chǎn)品質(zhì)量的預測、評估能力，使消費者更加放心[43]。

區(qū)塊鏈和食品溯源系統(tǒng)的結(jié)合還可以避免生產(chǎn)者、消費者信息的過度暴露，降低維權(quán)風險。訪問信息時使用的公鑰無法反推出對應私鑰，可防止用戶個人信息的被盜用。節(jié)約信息數(shù)據(jù)存儲成本并提高其運行效率，更有效的信息流通將加強企業(yè)之間的信息交換，提升彼此可信度，簡化溝通，提升供應鏈整體生產(chǎn)效率，維護供需平衡。更進一步，有助于拓寬企業(yè)融資路徑，解決中小型食品企業(yè)的融資難問題，由此促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[44]。

5 區(qū)塊鏈技術(shù)在食品領域的案例

5.1 牽頭食品領域企業(yè)

如表1所示，區(qū)塊鏈3.0時代的到來，迅速在零售、電商、快消品等領域掀起了熱潮，帶動了大型企業(yè)一系列的技術(shù)改革和定向試點。

表1 牽頭企業(yè)實例Table 1 Examples of leading enterprises

2018年5月，我國首個區(qū)塊鏈技術(shù)互動平臺：“物流+區(qū)塊鏈技術(shù)應用聯(lián)盟”在京東物流牽頭下成立[45]。2020～2022年，隨著平臺進一步發(fā)展，京東利用自建的物流平臺輸送醫(yī)療物資，在供應鏈每個環(huán)節(jié)構(gòu)建節(jié)點，每條信息都有時間戳及數(shù)字簽名作為保障，消費者可以掃描二維碼進行產(chǎn)品的時間追溯，提升對產(chǎn)品的信任[46]。同年五月，招商局港口集團攜手阿里巴巴和螞蟻集團，共同促進港口產(chǎn)業(yè)發(fā)展，打造全球開放的基于區(qū)塊鏈的數(shù)字港口開放協(xié)作網(wǎng)絡[47]。

2018年，家樂福宣布了其在法國試點的Auvergne雞項目，為歐洲首例。與國內(nèi)“區(qū)塊鏈雞”類似，作為家樂福2022年改革計劃中的重要里程碑，Auvergne雞廣受消費者的歡迎，進一步推動了家樂福其他產(chǎn)品如雞蛋、牛奶、橙子等生產(chǎn)線與區(qū)塊鏈技術(shù)的結(jié)合[48]。同年DNV GL公司（專業(yè)質(zhì)量認證和風險管理公司）聯(lián)合唯鏈（VeChain）共同推出了針對食品飲料行業(yè)開發(fā)的區(qū)塊鏈應用技術(shù)——My Story TM，該技術(shù)首次應用于意大利的葡萄酒行業(yè)的制造商，并在不斷拓展中。通過酒瓶上對應的二維碼標簽，消費者可以查看手中葡萄酒由最初的葡萄到上架的全過程，把產(chǎn)品的質(zhì)量、真?zhèn)?、產(chǎn)地、成分、用水和能耗等關鍵信息向消費者逐一闡述，還能加入不同品牌產(chǎn)品背后的故事，展現(xiàn)其獨特內(nèi)涵，而這些信息都是通過區(qū)塊鏈技術(shù)從供應鏈各個環(huán)節(jié)供應商中收集到的[49]。

2020年，飛利信子公司東藍數(shù)碼將區(qū)塊鏈技術(shù)與防偽溯源相結(jié)合，推出基于區(qū)塊鏈的食品防偽溯源平臺，覆蓋食品企業(yè)生產(chǎn)、倉儲、流通銷售等方面，全方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、查詢與可視化展示[50]。同年沃爾瑪中國正式啟動區(qū)塊鏈溯源平臺，覆蓋鮮肉、海鮮、蔬菜以及自有品牌[51]。顧客可掃描商品提供的二維碼了解商品供應源頭、物流、檢測報告等信息，使消費者更加安心。食品溯源信息數(shù)字化滿足了消費者對食品安全更高的要求，利用數(shù)字化提高運行效率，過程更加透明化，為顧客提供更有品質(zhì)的服務。

5.2 技術(shù)支持

如表2所示，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品安全溯源系統(tǒng)并非完全由對應企業(yè)主導，聯(lián)合區(qū)塊鏈技術(shù)平臺、挖掘業(yè)內(nèi)專家、緊跟當前技術(shù)前沿往往是最好的選擇。

表2 區(qū)塊鏈技術(shù)支持實例Table 2 Examples of blockchain technical support

IBM（IT公司-國際商業(yè)機器公司）是目前區(qū)塊鏈領域技術(shù)應用的核心公司，它推出了一個應用于食品供應鏈的區(qū)塊鏈工具IBM Food Trust，通過食品系統(tǒng)數(shù)據(jù)的許可，永久共享記錄，連接著食品從農(nóng)田到餐桌每一個環(huán)節(jié)的信息，大大提升了產(chǎn)品的可見性和可問責性。IBM Food Trust的用戶通過查詢對應的食品標識符號即可快速獲取需要的信息、權(quán)限明確的信息共享視圖、控制數(shù)據(jù)訪問狀況、規(guī)避惡意攻擊等。沃爾瑪作為IBM Food Trust的首個也是最大用戶，它所合作的所有企業(yè)都必須加入該網(wǎng)絡，強力推動了IBM Food Trust的應用拓展。同時，IBM也與世界航運巨頭馬士基達成了合作關系，將航運記錄納入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)，在幫助節(jié)省食品海運業(yè)務成本的同時促進更多的企業(yè)融合，提高現(xiàn)代化食品貿(mào)易效率[52]。

英國軟件公司Provenance探索了傳感器或射頻識別技術(shù)生成的標簽記錄食材的方法，結(jié)合區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)，保證了食材的新鮮性和安全性[53]。無線電感應器生產(chǎn)商Filament也正嘗試利用感應器檢測記錄農(nóng)作物的健康指數(shù)，區(qū)塊鏈保存信息，物聯(lián)網(wǎng)連接整個供應鏈的其他設備。

食物優(yōu)是成都?？松瓲柨萍加邢薰局鞔?qū)Ｗ⒂谵r(nóng)業(yè)供應鏈區(qū)塊鏈技術(shù)的產(chǎn)品，簽約合作有超過230家CSA（社區(qū)支持農(nóng)業(yè)）中小型農(nóng)場。作為一家走出國門的軟件，它不僅提供基于區(qū)塊鏈技術(shù)的驗證溯源服務，還提供農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析、精準營銷等業(yè)務。另一家國內(nèi)區(qū)塊鏈初創(chuàng)公司BITSE推出的Vechain（唯鏈）也在積極尋求商業(yè)合作，尤其在物流領域的實時監(jiān)控方面，Vechain已經(jīng)能夠支持百萬級別的商品ID運作[54]。

5.3 應用模型設計

如表3所示，自區(qū)塊鏈走入人們的視線以來，研究者對其在食品安全各個領域的應用做了諸多分析設計。

表3 應用模型設計Table 3 Application model design

5.3.1 畜禽肉類 我國生鮮需求量大，產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模宏偉，有必要對生鮮產(chǎn)品進行溯源[55]。張曉雅[56]通過調(diào)研杭州市豬肉流通追溯實況，研究了肉類安全追溯系統(tǒng)的關鍵技術(shù)，從標準體系、信息獲取、技術(shù)結(jié)合三個方面提出了自己的模型架構(gòu)。代紀磊[57]則站在山東得利斯食品公司生鮮豬肉質(zhì)量追溯體系的角度，跟蹤分析了實際案例的流程。整個業(yè)務流程以Petri網(wǎng)建模，結(jié)合質(zhì)量追溯的關鍵信息點來排查該公司追溯體系中存在的問題，以區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的耦合來完成體系構(gòu)建。以工業(yè)工程的角度分析得利斯公司生鮮豬肉業(yè)務線的流程，把握每個環(huán)節(jié)的關鍵質(zhì)量控制點。同樣，Kamath[58]基于mango區(qū)塊鏈系統(tǒng)，設計構(gòu)建了一個結(jié)合條碼技術(shù)的豬肉供應鏈追溯系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大優(yōu)點是允許任何可信用戶在豬肉價值鏈的任何點都可以驗證產(chǎn)品的可追溯性和真實性[59]。

近年，Hang等[60]提出了一種基于區(qū)塊鏈的養(yǎng)魚場數(shù)據(jù)庫平臺。該系統(tǒng)使用智能合約，自動執(zhí)行養(yǎng)魚場的不同工序，減少出錯或操作的風險，將傳統(tǒng)的養(yǎng)魚場系統(tǒng)與超級賬本Fabric區(qū)塊鏈集成在一起。未來將繼續(xù)細化模型，對云服務測試以運行Fabric網(wǎng)絡；測試不同的身份驗證策略來保護遺留養(yǎng)魚場系統(tǒng)與REST服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸；擴展傳統(tǒng)養(yǎng)魚場系統(tǒng)，以連接不同的養(yǎng)魚場設備，額外支持不同的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等。Peter[61]探討了如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)來改善全球海洋保護和漁業(yè)供應鏈管理，為健康的海洋以及更透明的魚類供應鏈提供新的資源和籌資形式。在此過程中，綜合考慮了為各種利益相關者建立信任和公平的技術(shù)和政治挑戰(zhàn)，提出海洋保護和全球海鮮生產(chǎn)網(wǎng)絡存在信任問題，促進漁業(yè)利益相關者之間更大程度的平等，發(fā)揮好慈善募捐人士、國家政府、生產(chǎn)商、消費者、零售商等不同主體人員各自的責任與力量[62]。

5.3.2 食品原料類 食品原料是產(chǎn)品追溯的源頭，對源頭的把控是質(zhì)量監(jiān)管的管控重中之重。Galvez等[63]設計了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)作物產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，由射頻識別技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)其他設備，跟蹤環(huán)境和質(zhì)量信息，用智能合約記錄農(nóng)產(chǎn)品所有的生產(chǎn)信息，包括種子購買、種植、生長到被消費的全過程。射頻識別技術(shù)記錄種子質(zhì)量、生產(chǎn)條件、施肥和農(nóng)藥情況、生長數(shù)據(jù)、冷藏環(huán)境、銷售信息等在內(nèi)的溯源信息，消費者通過掃描產(chǎn)品包裝上的條碼來檢索[64]。Davcev等[65]也基于cloud/fog系統(tǒng)提出了整體使用基于區(qū)塊鏈的ICT技術(shù)對提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有積極作用，例如可以監(jiān)控土地狀況，提高蔬菜的附加價值，有助于實現(xiàn)透明和安全的農(nóng)業(yè)食品價值鏈，該研究列舉了一種基于cloud/fog 物聯(lián)網(wǎng)平臺的葡萄供應鏈溯源系統(tǒng)。

在實際生產(chǎn)生活中，利用區(qū)塊鏈技術(shù)追溯管控食品已經(jīng)被廣泛應用。Kumar等[66]展示了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的大米供應鏈溯源模型，用于記錄大米和大豆在整個供應鏈中涉及到的所有必要信息，監(jiān)控運輸過程中可能發(fā)生的質(zhì)量和安全問題進而規(guī)避風險[67]。Arena等[68]設計了一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特級初榨橄欖油供應鏈溯源和認證IoT的應用程序BRUSCHETTA，考慮到該系統(tǒng)并不總是適用于所有的實際場景，所以需要對應用程序提出一種動態(tài)的自我調(diào)整機制。Zhang等[69]利用改進的區(qū)塊鏈技術(shù)，在育種信息管理系統(tǒng)-黃金種子育種云平臺中實現(xiàn)了高效、安全存儲高通量作物育種數(shù)據(jù)的體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)可以確保育種數(shù)據(jù)的高效和安全存儲，快速便捷地確認育種維度的作物種植位置和繁殖過程數(shù)據(jù)[70]。目前該平臺已經(jīng)成功地應用在湖南隆平高科技種業(yè)有限公司等許多中國養(yǎng)殖企業(yè)和科研機構(gòu)[71]。

6 結(jié)語

雖然區(qū)塊鏈是一項毋庸置疑的突破性技術(shù)，但由于在食品安全追溯領域的開發(fā)和應用還存在大量的研究空白，因此人們對于如何使用區(qū)塊鏈技術(shù)來提高食品鏈的安全追溯性能了解相對有限。食品安全追溯領域內(nèi)在實際操作、系統(tǒng)基礎設施、兼容性、標準化問題等方面存在的一系列優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，還需要區(qū)塊鏈和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)在政策支持、參與者的協(xié)作和信任以及技術(shù)集成方面的突破。雖然當下的區(qū)塊鏈技術(shù)還不夠成熟，存在諸多問題，但區(qū)塊鏈技術(shù)將能夠提高信息的安全性和透明度，并將隨著物聯(lián)網(wǎng)基礎設施和設備的不斷發(fā)展壯大，進而在食品安全溯源領域繼續(xù)高效且可持續(xù)地提供信息和問題解決方案。