2020-LED照明技术可应用于果蔬采后处理_田婧.pdf

温室园艺 2020 11 76 技术前沿 Technology Frontier LED 照明技术可应用于果蔬采后处理 田 婧 李 邵 鲁少尉 刘雅青 农业农村部规划设计研究院设施农业研究所 农业农村部农业设施结构工程重点实验室 北京 100125 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 31 016 植 物照明使用的灯具主要包括农用高压钠 灯 high pressure sodium lamp 简称 HPS 荧光灯 白炽灯和发光二极管 light emitting diode 简称LED 等 其中 HPS和 LED是在种植领域使用最广的两类灯具 HPS 作为传统植物补光灯 应用范围广 技术成熟 但能耗较高 发射光谱与植物光合作用有效辐 射光谱吻合度不高 且发光通过汞蒸汽 光源 废弃后存在环境污染隐患 LED作为新型照明 设备 具有光能利用率高 使用寿命长 能耗 较低 绿色环保等诸多优点 但也存在发光效 率较低 光衰减率较大等缺陷 1 3 虽然目前两 类灯具尚不能互相取代 但采用LED替代传统 灯具并根据植物从苗期到收获期甚至到储藏期 的光配方需求进行光环境动态优化调节 是未 来农业精细化发展的必然趋势 LED光照在植物应用领域的拓展 近年来 植物工厂或温室作物栽培采用 LED作为唯一或辅助光源 围绕光合作用和光 形态建成的研究越来越多 LED的农业应用场 景也得到拓展 除了作物的育苗和栽培生长过 程 采后储藏过程中LED可发挥的作用也受到 关注 在果蔬采后处理过程中应用光照处理是 一种安全 绿色 环保的非加热物理保鲜技术 主要分为LED光保鲜 紫外光辐照保鲜和辐射 保鲜3大类 在温室作物栽培中应用LED 光 强较低和随距离光衰减率较大是目前LED无法 替代HPS的主要限制因素 温室LED株间补 光一般需达到100 200 mol m 2 s 顶部补光 则需达到300 500 mol m 2 s 4 较高的光通 量和光效能对很多LED灯具生产厂商来说存在 较大难度 与栽培补光需要的较高光强不同 采后保鲜所需的光强较低 各研究报道中使用 的光强一般在10 80 mol m 2 s 之间 因此 LED光源具备了天然优势 其电光转换效率高 发热量低 波长可控的特性 以及体积小 方 便移动 易整合到其他设备 如冷藏设备 中 等优点 使LED光控保鲜技术开始受到果蔬采 后保鲜领域的研究关注 5 LED光照保鲜的作用机理 果蔬采后品质的维持通常是通过控制适宜 的温湿度条件和气体成分来实现 大量研究表 明 光照可以有效地抑制采后成熟衰老 维持 外观品质 延长货架寿命 甚至提高某些营养 成分含量 3 6 LED照射调控果蔬采后保鲜的 可能机制 尚无无明确论断 主要作用机制推 断有 1 促进采后果蔬继续进行光合作用 增加采收后储存呼吸底物的可溶性碳水化合 物 尽管采收后离体果蔬失去了水肥供给 但 作为鲜活农产品的生理代谢仍在继续 以绿叶 蔬菜为例 采收后适当的光照有利于延缓叶绿 素的降解 微弱的光合作用和糖分累积对呼吸 作用的消耗是一种有益补充 2 减缓或抑 制呼吸强度及乙烯释放 光处理降低采后果蔬 呼吸强度并推迟乙烯释放高峰 而乙烯是介导 和促进果蔬成熟和衰老的关键内源激素和信号 温室园艺 2020 11 77 农业工程技术 温室园艺 分子 3 增加或维持有益化合物 包括抗 坏血酸 VC 总酚类 可溶性糖 次生抗氧 化剂等的含量水平 以及通过色素 番茄红素 类胡萝卜素 花青素 的积累来改善或保障视 觉外观品质 4 抑制采后果蔬表面微生物生 长 LED照射通过光动力学灭活 photodynamic inactivation 和光催化灭活 photocatalytic inactivation 途径对部分食源性致病菌产生抑 制效应 从而减缓微生物繁殖 减轻果蔬组织 腐烂 达到保鲜目的 5 LED 光照在果蔬保鲜中的应用 在叶菜保鲜中的应用 活体叶菜光照保鲜实例已经出现在一些 商超的高档蔬菜销售柜台或火锅店 如由中山 昂欣科技有限责任公司研发制造的 活菜鲜 图1 该系统提供具有针对性的光谱 光照 周期控制和营养液 维持所配送的蔬菜保持正 常活体状态 可让蔬菜保鲜1星期以上 事实上 采收后的叶菜虽然失去了根系 但根茎部位储 藏较多的养分和水分 采收后植物仍具有一定 的 生长 能力 运输过程自然弱光刺激下可 能出现徒长和叶片转黄现象 若采用LED光保 鲜技术与冷藏技术二合一 将有利于维持绿色 抑制褐化 将来该技术有望更多出现在高品质 叶菜专用销售柜台 不同作物种类和品种所需LED光照度 光谱 组成不同 并且对果蔬品质的保鲜效果也不同 对于叶菜 保持水分和色泽 色素 是储藏的基 本要求 鲜切生菜即使在低温下保存 组织褐变 和品质下降依然发生较快 近年来虽有少量带根 运输和销售的水培生菜出现在高档超市 但毕竟 不是主流供应方式 法国阿维尼翁大学报道 7 连续光照 50 mol m 2 s 或150 mol m 2 s 显著抑制鲜切生菜的组织褐变 但刺激脱水加 速 而采用低光强 50 mol m 2 s 间歇光 2 h开启 2 h关闭 处理2天可使褐变和水 分损失最小化 并在随后的5天黑暗储藏条件 下 光照积极作用存在剩余效应 类似的研究 结果在多种鲜切叶菜上被报道 采后光照处理 延缓了长叶莴苣 罗马生菜 芹菜和西兰花 的储藏期衰老 并显著抑制采收切口的组织褐 变 8 10 光照对采后叶菜的营养质量也有积极作 用 在菠菜叶片中 内源性维生素 如VC和 叶酸的含量在可见光下比在黑暗中存储时显示 出更高的值 11 这可能是由于光合作用能力 的增加 诱导可溶性碳水化合物特别是葡萄糖 的可用性提高 进而促进VC合成 12 王超 13 等以10 20 30 mol m 2 s 3档光强的红蓝 组合LED研究西芹和西兰花采后营养品质指 标变化 3档光强均能不同程度延缓叶绿素和 VC的降解 对于叶绿素保持30 mol m 2 s 效果最佳 对于VC保持20 mol m 2 s 效 果最佳 在果菜保鲜中的应用 对于果菜 除了水分和色泽 储藏过程中营 养成分和抗氧化物质的变化也非常重要 范林林 等 14 15 研究LED白光对番茄和黄瓜储藏的保鲜 效果 预实验从25 50 75 100 mol m 2 s 中筛选了最佳光强75 mol m 2 s 可延长货 架期3 4天 以番茄为例 光照处理可较好维 持番茄的感官品质 抑制水分散失和营养物质 降解 保持更高的抗氧化活性 储藏至12天 LED处理组的感官评分 失重率和VC含量分 别为对照组1 59倍 34 和1 19倍 期间储藏 6天时 多酚氧化酶活性差异达1 65倍 LED图1 中山昂欣科技有限责任公司研发制造的 活菜鲜 图片来源于网络 温室园艺 2020 11 78 技术前沿 Technology Frontier 光照对保持色泽 维持可溶性固形物含量有一 定作用 但与对照组差异不显著 德国波恩大 学一项研究报道 16 番茄采后处理使用红光照 射 可以显著增加健康化合物含量 番茄采后 存储在连续红光照射 10天以上 条件下 积 累了更多的番茄红素 胡萝卜素 总酚类化 合物 总类黄酮以及亲水亲脂性的抗氧化剂 间歇性辐射似乎不会对番茄的成熟速度和抗氧 化能力产生类似的影响 未来的试验应该探索 在红光照射下 番茄不同部位 表皮 果皮壁 房室腔 种子 间隔等 是否会产生不同的促 进健康的化合物 在实际生产中 番茄通常在未完全成熟阶 段收获 成熟过程发生在采后的储存和运输过 程中 青果番茄采收后在完全黑暗或LED光 照条件下储藏 番茄果实成熟度和品质有很大 差别 红光或红光 UV组合能使番茄果实提 前5天达到黑暗储藏7天番茄的成熟度 且红 光 UV还显著提高了番茄红素 胡萝卜素 总黄酮和酚类物质的含量 17 类似地 采收 未成熟草莓便于运输 损耗率低 但严重影响 草莓果实的品质和口感 将不同波长 385 470 525 630 nm 的LED照明应用于未成 熟草莓 在4天的贮藏后 可获得更高的可溶 性固形物含量 以及更高的VC 花青素和总 酚类含量 18 除了可见光 紫外光也可用于果实保鲜 尽管UV C辐照通常主要用于消毒目的 但也 可作为一种环境友好和低成本方式用于园艺作 物采后处理 美国食品和药物管理局认可这是 安全的方法 南京农业大学的一项研究表明 UV C照射 4 0 kJ m 2 通过调节ROS代谢 和苯丙素苷类化合物合成途径 延缓了生理降 解 促进了保健成分酚类化合物的生成 进 而有效地保持草莓果实的抗氧化能力和综合 品质 19 对果蔬微生物的影响 除了影响果蔬品质 LED蓝光和近紫外光 还对细菌抑制效果显著 有助于提升保鲜效果 在400 450 nm波段内 LED在波长峰值为 405 nm时对致病菌抑制效果最好 以照射强度 21 mW cm 2 对蜡样芽孢杆菌 沙门氏菌 大肠杆 菌和李斯特杆菌等食源性致病微生物处理9 h后 各致病菌菌落数有不同程度的下降 20 在草莓 低温贮藏的试验中 研究人员验证了使用UV C 照射 4 0 kJ m 2 既可以有效保持草莓储藏7 天后的品质特性 又保持了草莓果实的微生物 安全性 19 因此 特定光谱的LED可在预冷处 理 冷藏运输和市场展示过程中替代杀菌剂的 作用 21 结论 在叶菜保鲜中使用较低强度的LED光照 通常20 30 mol m 2 s 有利于保持叶菜 水分和色泽 减缓叶绿素和VC的降解 在 果菜保鲜中使用稍高强度的LED光照 通常 50 75 mol m 2 s 更有利于营养成分 活 性成分的保存 这对于高品质果蔬在销售过程 中的品质维持意义重大 已有的研究显示红光 红蓝光 白光LED在果蔬保藏中均可发挥积 极作用 但更精准 更高效的光谱配比研究还 比较缺乏 这与LED光配方在栽培领域的研 究情况类似 受环境条件 作物种类 品种特 性等复杂性影响 很多研究结果存在较大的局 限性 随着高水平环控的大型连栋温室在国内兴 起新一轮的建设热潮 这类温室项目通常都配 备有条件较好的冷链储藏设施 若LED光控保 鲜技术更广泛地延伸应用到临时储藏和冷链运 输环节 将有助于进一步提升高品质果蔬的供 应能力 值得行业关注 参考文献 1 刘厚诚 LED植物照明产业的发展现状与趋势 J 照明工程 学报 2018 29 4 8 9 2 孔乐 耿博 郑梦影 等 高压钠灯和发光二极管在 植物设施栽培中的应用现状与展望 J 江苏农业科 学 2019 47 18 6 10 温室园艺 2020 11 79 农业工程技术 温室园艺 3 范林 林 左进华 高丽朴 等 LED 应用于蔬菜保鲜领域的研 究进展 J 安徽农业科学 2017 45 8 89 92 4 丁小明 温室番茄生产全光谱 LED 补光技术 J 农业工程技 术 温室园艺 2019 39 16 74 75 5 詹丽娟 马亚丹 张翠翠 发光二极管 LED 照射调控果蔬 采后贮藏保鲜研究进展 J 食品与发酵工业 2018 44 4 264 269 6 王真 王清 高丽朴 等 蔬菜采后光控保鲜技术研究进展 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 冰温下LED红蓝组合光照射对果蔬采后保鲜的研究 D 天津 天津商业大学 2016 14 范林林 左进华 夏春丽 等 LED白光处理对番茄贮藏品 质的影响 J 北方园艺 2016 17 134 137 15 范林林 左进华 史君彦 等 LED白光照射对黄瓜贮藏过 程中品质的影响 J 北方园艺 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 amplification of functional components of immature strawberry J Horticulture Environment Biotechnol ogy 2011 52 1 35 39 19 Lin ML Li XA Han C et al UV C treatment maintains quality and enhances antioxidant capacity of fresh cut strawberries J Postharvest Biology and Technology 2019 156 110945 20 Kumar A Ghate V Kim MJ et al Kinetics of bacterial inactivation by 405 nm and 520 nm light emitting diodes and the role of endogenous coproporphyrin on bacterial susceptibility J Journal of Photochemistry and Photobiology B Biology 2015 149 37 44 21 Hasan MM Bashir T Ghosh R et al An overview of LEDs effects on the production of bioactive compounds and crop quality J Molecules 2017 22 1 12 项目支持 河北省重点研发计划 鲜食型口感番茄 绿色生产与品质提升关键技术研究与示范 项目编 号 20326901D 作者信息 田婧 1983 女 山西平遥人 博士 高级工程师 主要从事设施园艺作物栽培技术与工艺 研究 E mail tianjingnau 引用信息 田婧 李邵 鲁少尉 等 LED 照明技术可应用于果蔬采后处理 J 农业工程 技术 2020 40 31 76 79