溫室園藝 2020 11 76 技術(shù)前沿 Technology Frontier LED 照明技術(shù)可應(yīng)用于果蔬采后處理 田 婧 李 邵 魯少尉 劉雅青 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)施農(nóng)業(yè)研究所 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100125 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 31 016 植 物照明使用的燈具主要包括農(nóng)用高壓鈉 燈 high pressure sodium lamp 簡(jiǎn)稱(chēng) HPS 熒光燈 白熾燈和發(fā)光二極管 light emitting diode 簡(jiǎn)稱(chēng)LED 等 其中 HPS和 LED是在種植領(lǐng)域使用最廣的兩類(lèi)燈具 HPS 作為傳統(tǒng)植物補(bǔ)光燈 應(yīng)用范圍廣 技術(shù)成熟 但能耗較高 發(fā)射光譜與植物光合作用有效輻 射光譜吻合度不高 且發(fā)光通過(guò)汞蒸汽 光源 廢棄后存在環(huán)境污染隱患 LED作為新型照明 設(shè)備 具有光能利用率高 使用壽命長(zhǎng) 能耗 較低 綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn) 但也存在發(fā)光效 率較低 光衰減率較大等缺陷 1 3 雖然目前兩 類(lèi)燈具尚不能互相取代 但采用LED替代傳統(tǒng) 燈具并根據(jù)植物從苗期到收獲期甚至到儲(chǔ)藏期 的光配方需求進(jìn)行光環(huán)境動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)節(jié) 是未 來(lái)農(nóng)業(yè)精細(xì)化發(fā)展的必然趨勢(shì) LED光照在植物應(yīng)用領(lǐng)域的拓展 近年來(lái) 植物工廠(chǎng)或溫室作物栽培采用 LED作為唯一或輔助光源 圍繞光合作用和光 形態(tài)建成的研究越來(lái)越多 LED的農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng) 景也得到拓展 除了作物的育苗和栽培生長(zhǎng)過(guò) 程 采后儲(chǔ)藏過(guò)程中LED可發(fā)揮的作用也受到 關(guān)注 在果蔬采后處理過(guò)程中應(yīng)用光照處理是 一種安全 綠色 環(huán)保的非加熱物理保鮮技術(shù) 主要分為L(zhǎng)ED光保鮮 紫外光輻照保鮮和輻射 保鮮3大類(lèi) 在溫室作物栽培中應(yīng)用LED 光 強(qiáng)較低和隨距離光衰減率較大是目前LED無(wú)法 替代HPS的主要限制因素 溫室LED株間補(bǔ) 光一般需達(dá)到100 200 mol m 2 s 頂部補(bǔ)光 則需達(dá)到300 500 mol m 2 s 4 較高的光通 量和光效能對(duì)很多LED燈具生產(chǎn)廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)存在 較大難度 與栽培補(bǔ)光需要的較高光強(qiáng)不同 采后保鮮所需的光強(qiáng)較低 各研究報(bào)道中使用 的光強(qiáng)一般在10 80 mol m 2 s 之間 因此 LED光源具備了天然優(yōu)勢(shì) 其電光轉(zhuǎn)換效率高 發(fā)熱量低 波長(zhǎng)可控的特性 以及體積小 方 便移動(dòng) 易整合到其他設(shè)備 如冷藏設(shè)備 中 等優(yōu)點(diǎn) 使LED光控保鮮技術(shù)開(kāi)始受到果蔬采 后保鮮領(lǐng)域的研究關(guān)注 5 LED光照保鮮的作用機(jī)理 果蔬采后品質(zhì)的維持通常是通過(guò)控制適宜 的溫濕度條件和氣體成分來(lái)實(shí)現(xiàn) 大量研究表 明 光照可以有效地抑制采后成熟衰老 維持 外觀(guān)品質(zhì) 延長(zhǎng)貨架壽命 甚至提高某些營(yíng)養(yǎng) 成分含量 3 6 LED照射調(diào)控果蔬采后保鮮的 可能機(jī)制 尚無(wú)無(wú)明確論斷 主要作用機(jī)制推 斷有 1 促進(jìn)采后果蔬繼續(xù)進(jìn)行光合作用 增加采收后儲(chǔ)存呼吸底物的可溶性碳水化合 物 盡管采收后離體果蔬失去了水肥供給 但 作為鮮活農(nóng)產(chǎn)品的生理代謝仍在繼續(xù) 以綠葉 蔬菜為例 采收后適當(dāng)?shù)墓庹沼欣谘泳徣~綠 素的降解 微弱的光合作用和糖分累積對(duì)呼吸 作用的消耗是一種有益補(bǔ)充 2 減緩或抑 制呼吸強(qiáng)度及乙烯釋放 光處理降低采后果蔬 呼吸強(qiáng)度并推遲乙烯釋放高峰 而乙烯是介導(dǎo) 和促進(jìn)果蔬成熟和衰老的關(guān)鍵內(nèi)源激素和信號(hào) 溫室園藝 2020 11 77 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 分子 3 增加或維持有益化合物 包括抗 壞血酸 VC 總酚類(lèi) 可溶性糖 次生抗氧 化劑等的含量水平 以及通過(guò)色素 番茄紅素 類(lèi)胡蘿卜素 花青素 的積累來(lái)改善或保障視 覺(jué)外觀(guān)品質(zhì) 4 抑制采后果蔬表面微生物生 長(zhǎng) LED照射通過(guò)光動(dòng)力學(xué)滅活 photodynamic inactivation 和光催化滅活 photocatalytic inactivation 途徑對(duì)部分食源性致病菌產(chǎn)生抑 制效應(yīng) 從而減緩微生物繁殖 減輕果蔬組織 腐爛 達(dá)到保鮮目的 5 LED 光照在果蔬保鮮中的應(yīng)用 在葉菜保鮮中的應(yīng)用 活體葉菜光照保鮮實(shí)例已經(jīng)出現(xiàn)在一些 商超的高檔蔬菜銷(xiāo)售柜臺(tái)或火鍋店 如由中山 昂欣科技有限責(zé)任公司研發(fā)制造的 活菜鮮 圖1 該系統(tǒng)提供具有針對(duì)性的光譜 光照 周期控制和營(yíng)養(yǎng)液 維持所配送的蔬菜保持正 ?；铙w狀態(tài) 可讓蔬菜保鮮1星期以上 事實(shí)上 采收后的葉菜雖然失去了根系 但根莖部位儲(chǔ) 藏較多的養(yǎng)分和水分 采收后植物仍具有一定 的 生長(zhǎng) 能力 運(yùn)輸過(guò)程自然弱光刺激下可 能出現(xiàn)徒長(zhǎng)和葉片轉(zhuǎn)黃現(xiàn)象 若采用LED光保 鮮技術(shù)與冷藏技術(shù)二合一 將有利于維持綠色 抑制褐化 將來(lái)該技術(shù)有望更多出現(xiàn)在高品質(zhì) 葉菜專(zhuān)用銷(xiāo)售柜臺(tái) 不同作物種類(lèi)和品種所需LED光照度 光譜 組成不同 并且對(duì)果蔬品質(zhì)的保鮮效果也不同 對(duì)于葉菜 保持水分和色澤 色素 是儲(chǔ)藏的基 本要求 鮮切生菜即使在低溫下保存 組織褐變 和品質(zhì)下降依然發(fā)生較快 近年來(lái)雖有少量帶根 運(yùn)輸和銷(xiāo)售的水培生菜出現(xiàn)在高檔超市 但畢竟 不是主流供應(yīng)方式 法國(guó)阿維尼翁大學(xué)報(bào)道 7 連續(xù)光照 50 mol m 2 s 或150 mol m 2 s 顯著抑制鮮切生菜的組織褐變 但刺激脫水加 速 而采用低光強(qiáng) 50 mol m 2 s 間歇光 2 h開(kāi)啟 2 h關(guān)閉 處理2天可使褐變和水 分損失最小化 并在隨后的5天黑暗儲(chǔ)藏條件 下 光照積極作用存在剩余效應(yīng) 類(lèi)似的研究 結(jié)果在多種鮮切葉菜上被報(bào)道 采后光照處理 延緩了長(zhǎng)葉萵苣 羅馬生菜 芹菜和西蘭花 的儲(chǔ)藏期衰老 并顯著抑制采收切口的組織褐 變 8 10 光照對(duì)采后葉菜的營(yíng)養(yǎng)質(zhì)量也有積極作 用 在菠菜葉片中 內(nèi)源性維生素 如VC和 葉酸的含量在可見(jiàn)光下比在黑暗中存儲(chǔ)時(shí)顯示 出更高的值 11 這可能是由于光合作用能力 的增加 誘導(dǎo)可溶性碳水化合物特別是葡萄糖 的可用性提高 進(jìn)而促進(jìn)VC合成 12 王超 13 等以10 20 30 mol m 2 s 3檔光強(qiáng)的紅藍(lán) 組合LED研究西芹和西蘭花采后營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指 標(biāo)變化 3檔光強(qiáng)均能不同程度延緩葉綠素和 VC的降解 對(duì)于葉綠素保持30 mol m 2 s 效果最佳 對(duì)于VC保持20 mol m 2 s 效 果最佳 在果菜保鮮中的應(yīng)用 對(duì)于果菜 除了水分和色澤 儲(chǔ)藏過(guò)程中營(yíng) 養(yǎng)成分和抗氧化物質(zhì)的變化也非常重要 范林林 等 14 15 研究LED白光對(duì)番茄和黃瓜儲(chǔ)藏的保鮮 效果 預(yù)實(shí)驗(yàn)從25 50 75 100 mol m 2 s 中篩選了最佳光強(qiáng)75 mol m 2 s 可延長(zhǎng)貨 架期3 4天 以番茄為例 光照處理可較好維 持番茄的感官品質(zhì) 抑制水分散失和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 降解 保持更高的抗氧化活性 儲(chǔ)藏至12天 LED處理組的感官評(píng)分 失重率和VC含量分 別為對(duì)照組1 59倍 34 和1 19倍 期間儲(chǔ)藏 6天時(shí) 多酚氧化酶活性差異達(dá)1 65倍 LED圖1 中山昂欣科技有限責(zé)任公司研發(fā)制造的 活菜鮮 圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò) 溫室園藝 2020 11 78 技術(shù)前沿 Technology Frontier 光照對(duì)保持色澤 維持可溶性固形物含量有一 定作用 但與對(duì)照組差異不顯著 德國(guó)波恩大 學(xué)一項(xiàng)研究報(bào)道 16 番茄采后處理使用紅光照 射 可以顯著增加健康化合物含量 番茄采后 存儲(chǔ)在連續(xù)紅光照射 10天以上 條件下 積 累了更多的番茄紅素 胡蘿卜素 總酚類(lèi)化 合物 總類(lèi)黃酮以及親水親脂性的抗氧化劑 間歇性輻射似乎不會(huì)對(duì)番茄的成熟速度和抗氧 化能力產(chǎn)生類(lèi)似的影響 未來(lái)的試驗(yàn)應(yīng)該探索 在紅光照射下 番茄不同部位 表皮 果皮壁 房室腔 種子 間隔等 是否會(huì)產(chǎn)生不同的促 進(jìn)健康的化合物 在實(shí)際生產(chǎn)中 番茄通常在未完全成熟階 段收獲 成熟過(guò)程發(fā)生在采后的儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò) 程中 青果番茄采收后在完全黑暗或LED光 照條件下儲(chǔ)藏 番茄果實(shí)成熟度和品質(zhì)有很大 差別 紅光或紅光 UV組合能使番茄果實(shí)提 前5天達(dá)到黑暗儲(chǔ)藏7天番茄的成熟度 且紅 光 UV還顯著提高了番茄紅素 胡蘿卜素 總黃酮和酚類(lèi)物質(zhì)的含量 17 類(lèi)似地 采收 未成熟草莓便于運(yùn)輸 損耗率低 但嚴(yán)重影響 草莓果實(shí)的品質(zhì)和口感 將不同波長(zhǎng) 385 470 525 630 nm 的LED照明應(yīng)用于未成 熟草莓 在4天的貯藏后 可獲得更高的可溶 性固形物含量 以及更高的VC 花青素和總 酚類(lèi)含量 18 除了可見(jiàn)光 紫外光也可用于果實(shí)保鮮 盡管UV C輻照通常主要用于消毒目的 但也 可作為一種環(huán)境友好和低成本方式用于園藝作 物采后處理 美國(guó)食品和藥物管理局認(rèn)可這是 安全的方法 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的一項(xiàng)研究表明 UV C照射 4 0 kJ m 2 通過(guò)調(diào)節(jié)ROS代謝 和苯丙素苷類(lèi)化合物合成途徑 延緩了生理降 解 促進(jìn)了保健成分酚類(lèi)化合物的生成 進(jìn) 而有效地保持草莓果實(shí)的抗氧化能力和綜合 品質(zhì) 19 對(duì)果蔬微生物的影響 除了影響果蔬品質(zhì) LED藍(lán)光和近紫外光 還對(duì)細(xì)菌抑制效果顯著 有助于提升保鮮效果 在400 450 nm波段內(nèi) LED在波長(zhǎng)峰值為 405 nm時(shí)對(duì)致病菌抑制效果最好 以照射強(qiáng)度 21 mW cm 2 對(duì)蠟樣芽孢桿菌 沙門(mén)氏菌 大腸桿 菌和李斯特桿菌等食源性致病微生物處理9 h后 各致病菌菌落數(shù)有不同程度的下降 20 在草莓 低溫貯藏的試驗(yàn)中 研究人員驗(yàn)證了使用UV C 照射 4 0 kJ m 2 既可以有效保持草莓儲(chǔ)藏7 天后的品質(zhì)特性 又保持了草莓果實(shí)的微生物 安全性 19 因此 特定光譜的LED可在預(yù)冷處 理 冷藏運(yùn)輸和市場(chǎng)展示過(guò)程中替代殺菌劑的 作用 21 結(jié)論 在葉菜保鮮中使用較低強(qiáng)度的LED光照 通常20 30 mol m 2 s 有利于保持葉菜 水分和色澤 減緩葉綠素和VC的降解 在 果菜保鮮中使用稍高強(qiáng)度的LED光照 通常 50 75 mol m 2 s 更有利于營(yíng)養(yǎng)成分 活 性成分的保存 這對(duì)于高品質(zhì)果蔬在銷(xiāo)售過(guò)程 中的品質(zhì)維持意義重大 已有的研究顯示紅光 紅藍(lán)光 白光LED在果蔬保藏中均可發(fā)揮積 極作用 但更精準(zhǔn) 更高效的光譜配比研究還 比較缺乏 這與LED光配方在栽培領(lǐng)域的研 究情況類(lèi)似 受環(huán)境條件 作物種類(lèi) 品種特 性等復(fù)雜性影響 很多研究結(jié)果存在較大的局 限性 隨著高水平環(huán)控的大型連棟溫室在國(guó)內(nèi)興 起新一輪的建設(shè)熱潮 這類(lèi)溫室項(xiàng)目通常都配 備有條件較好的冷鏈儲(chǔ)藏設(shè)施 若LED光控保 鮮技術(shù)更廣泛地延伸應(yīng)用到臨時(shí)儲(chǔ)藏和冷鏈運(yùn) 輸環(huán)節(jié) 將有助于進(jìn)一步提升高品質(zhì)果蔬的供 應(yīng)能力 值得行業(yè)關(guān)注 參考文獻(xiàn) 1 劉厚誠(chéng) LED植物照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì) J 照明工程 學(xué)報(bào) 2018 29 4 8 9 2 孔樂(lè) 耿博 鄭夢(mèng)影 等 高壓鈉燈和發(fā)光二極管在 植物設(shè)施栽培中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望 J 江蘇農(nóng)業(yè)科 學(xué) 2019 47 18 6 10 溫室園藝 2020 11 79 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 3 范林 林 左進(jìn)華 高麗樸 等 LED 應(yīng)用于蔬菜保鮮領(lǐng)域的研 究進(jìn)展 J 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017 45 8 89 92 4 丁小明 溫室番茄生產(chǎn)全光譜 LED 補(bǔ)光技術(shù) J 農(nóng)業(yè)工程技 術(shù) 溫室園藝 2019 39 16 74 75 5 詹麗娟 馬亞丹 張翠翠 發(fā)光二極管 LED 照射調(diào)控果蔬 采后貯藏保鮮研究進(jìn)展 J 食品與發(fā)酵工業(yè) 2018 44 4 264 269 6 王真 王清 高麗樸 等 蔬菜采后光控保鮮技術(shù)研究進(jìn)展 英 文 J Agricultural Science Technology 2017 18 6 1138 1144 7 Charles F Nilprapruck P Roux D et al Visible light as a new tool to maintain fresh cut lettuce post harvest quality J Postharvest Biology and Technology 2018 135 51 56 8 Zhan LJ Li Y Hu JQ et al Browning inhibition and quality preservation of fresh cut romaine lettuce exposed to high intensity light J Innovative Food ence Emerging Technologies 2012 14 70 76 9 Zhan LJ Hu JQ Lim LT et al Light exposure inhibiting tissue browning and improving antioxidant capacity of fresh cut celery Apium graveolens var dulce J Food Chemistry 2013 141 3 2473 2478 10 B chert AM G mez Lobato ME Villarreal NM et al Effect of visible light treatments on postharvest senescence of broccoli Brassica oleracea L J Journal of the ence of Food Agricultu re 2011 91 2 355 361 11 Lester GE Makus DJ Hodges DM Relationship between fresh packaged spinach leaves exposed to continuous light or dark and bioactive contents effects of cultivar leaf size and storage duration J Journal of Agricultural Food Chemistry 2010 58 5 2980 12 Toledo MEA Ueda Y Imahori Y et al L ascorbic acid metabolism in spinach Spinacia oleracea L during postharvest storage in light and dark Postharvest Biol Technol J 2003 28 47 57 13 王超 冰溫下LED紅藍(lán)組合光照射對(duì)果蔬采后保鮮的研究 D 天津 天津商業(yè)大學(xué) 2016 14 范林林 左進(jìn)華 夏春麗 等 LED白光處理對(duì)番茄貯藏品 質(zhì)的影響 J 北方園藝 2016 17 134 137 15 范林林 左進(jìn)華 史君彥 等 LED白光照射對(duì)黃瓜貯藏過(guò) 程中品質(zhì)的影響 J 北方園藝 2016 19 156 159 16 Panjai L Noga G Hunsche M et al Optimal red light irradiation time to increase health promoting compounds in tomato fruit postharvest J Scientia Horticulturae 2019 251 189 196 17 Panjai L Noga G Fiebig A et al Effects of continuous red light and short daily UV exposure during postharvest on carotenoid concentration and antioxidant capacity in stored tomatoes J Scientia Horticulturae 2017 226 97 103 18 Kim BS Lee HO Kim JY et al An effect of light emitting diode LED irradiation treatment on the 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