植物工厂功能性蔬菜品质调控技术研究与展望.pdf

2023 20 DOI 10 3865 j issn 1001 3547 2023 20 007 华南农业大学园艺学院设施农业科学与工程系教授 博士生导师 广 东省现代农业 设施园艺 科技创新中心主任 中国园艺学会设施园艺分 会常务理事 中国农业工程学会设施园艺工程专业委员会委员 从事植物 光生物学 植物工厂生产技术 植物工厂快速育种技术 蔬菜生理生态 蔬 菜优质高效生产原理与技术研究 在蔬菜作物光调控和设施高效栽培等 方面发表学术论文100余篇 近年主持国家重点研发项目课题 温室水培 叶菜智能化生产技术与设备研发 和 植物工厂立体种植环保模式与精准 调控技术装备研究 广东省重点研发项目 设施园艺作物精准调控关键 技术研究与示范 等 null 刘厚诚 植物工厂功能性蔬菜品质调控技术研究与展望 琚俊 刘厚诚 华南农业大学园艺学院 广州 510642 植物工厂是指在全封闭建筑设施内 利用人工光 源 实现环境的自动化控制 进行植物高效率 省力 化 稳定种植的生产方式 作为一种技术密集型农业 植物工厂具有资源利用率高 单位土地面积年产量 高 作物品质优 生产环境可控性高 对建设选址要求 较低等优势 1 是设施园艺发展的高级形式 是未来设 施园艺发展的必然趋势 然而 植物工厂存在投资大 运行成本高 能耗较高 种植品种有限 经济效益欠佳 等问题 2 3 据估计 在日本 1座10层的植物工厂初始 总投资约为4 000欧元 m 2 需要5 7 a才能收回初始 投资 4 而我国由于蔬菜种植面积大 品种多 价格低 的特点 目前植物工厂生产的蔬菜在价格上不具有市 场竞争力 其销售对象主要为对蔬菜品质有要求较高 的少数群体 暂时不可能取代传统种植蔬菜的市场主 流地位 人工光型植物工厂产业化发展缓慢 为提高植物工厂产品的商业价值 许多生产企 业正在探究利用植物工厂生产种苗 药用植物 珍 稀蔬菜等高附加值产品 3 利用植物工厂生产高附 加值产品的优势在于产量高 质量优 周期短 无农 残 无重金属污染且能稳定生产 功能性蔬菜侧重 于增加蔬菜产品的健康内涵 作为一种高附加值产 品 功能性蔬菜被认为是未来高端食品的发展方 基金项目 国家重点研发计划项目 无人化植物工厂成套技 术装备创制与应用 2021YFD2000700 琚俊 1999 男 硕士 主要从事设施园艺生理生态研究工 作 电话 020 85280464 E mail jujun mail 刘厚诚 1968 男 通讯作者 博士 教授 主要从事设施园 艺生理生态研究工作 电话 020 85280464 E mail liuhch 收稿日期 2023 07 20 摘 要 目前植物工厂产业化发展面临成本高 能耗大 经济效益低等的问题 在后疫情时代 人们对功能性食品的需求 越发强烈 功能性蔬菜或将成为打破植物工厂生产困局的突破口 本文综述了植物工厂功能性蔬菜品质调控技术 包括 蔬菜有益微量元素和抗氧化物质的调控 以期为植物工厂产业化发展及功能性蔬菜产业推进提供参考 关键词 功能性蔬菜 植物工厂 微量元素 抗氧化物质 中图分类号 S626 文献标识码 A 文章编号 1001 3547 2023 20 0019 07 19 2023 20 向 具有广阔的市场前景 本文综述了植物工厂功能性蔬菜品质调控技 术体系 展望了其应用前景 以期为提高蔬菜产品 附加值及植物工厂生产盈利能力提供参考 1 植物工厂功能性蔬菜生产的意义 功能性食品是指能够令人信服地证明对身体某 种或多种机能有益 并在提供充分营养的基础上能 够改善身体健康状况或降低患病风险的食品 5 对于功能性蔬菜来说 其功能性的关键因素体现在 其生物活性物质 维生素 酚类化合物 黄酮类化合 物 生物活性肽 矿物质 纤维等 的含量上 6 适量 增加功能性蔬菜的摄入 可降低人体各种癌症发生 概率 心血管风险 提高自身免疫力 7 新冠疫情影响下 亚健康问题处在高暴发状态 对16 820名中国人调查研究发现 亚健康状态检出 10 715 例 疾病状态 794 例 健康状态 5 311例 分别占63 7 4 7 和31 6 轻度亚健康状态1 141 例 6 8 中度亚健康状态6 057例 36 0 重度亚 健康状态 3 517 例 20 9 与新冠疫情暴发前相 比 亚健康的患病率有所增加 8 植物工厂生产以叶菜类为主 如十字花科的羽 衣甘蓝 芥蓝等 这类作物富含酚类化合物 硫代葡 萄糖苷 类胡萝卜素 萜类化合物 生物碱等营养物 质 9 其中 羽衣甘蓝 青花菜芽苗菜等作为全球公认 的功能蔬菜 富含维生素C和维生素K等维生素和 抗氧化物质 是膳食纤维 叶酸和钾 钙等矿物质以 及硫代葡萄糖苷的良好来源 这些物质的膳食摄入 对防治及控制肿瘤 心血管病 癌症 高血压 糖尿 病 慢性炎症等均有作用 10 菊科蔬菜 生菜是世 界上消费和种植最多的叶菜 11 也是植物工厂生产 最主要的蔬菜种类 生菜中富含花青素 抗坏血酸 脱氢抗坏血酸等营养物质 摄入这些物质有利于人 体胶原蛋白的形成 胆固醇水平的降低 无机铁的 吸收 可预防神经元和心血管疾病 降低糖尿病风 险 并表现出一定的抗癌活性 12 富集有益微量元素和抗氧化物质含量较高的 蔬菜产品更能满足人们对高品质食物的需求 改善 亚健康问题 富含硒 锌 维生素C和维生素D 13 15 以及酚类化合物 16 等保健成分的蔬菜产品能改善 人体营养状况 提高自身免疫力 光照作为一种重 要的环境因子 影响着植物的生长发育 在植物工 厂中可通过对不同环境因子的调节 对有益微量元 素和抗氧化物质进行富集调控 2 有益微量元素富集调控 2 1 硒 硒是一种重要的微量元素 在人体组织中广泛 分布 参与许多生理过程 对人体健康有着复杂的影 响 在对免疫功能起重要作用的微量元素中 锌和 硒对病毒和呼吸道感染尤其重要 15 同时硒在调节 甲状腺 人类生育和早期低硒血浆水平中也有重要 作用 植物可以将具有一定毒性的无机硒如亚硒酸 盐转化为相对安全的有机硒 从而富集硒 17 18 植物 工厂中可通过相应栽培技术调控蔬菜产品的硒含 量 生产富硒蔬菜产品 蔬菜中硒含量相对最高的为十字花科蔬菜 19 通 过硒的强化 芸薹属蔬菜显示出更高的营养价值 不 仅硒含量增加 而且其他植物化学物质含量也有所 提升 硒能显著提高青花菜 20 羽衣甘蓝和结球甘蓝 苗菜 21 硫代葡萄糖苷 花青素 类黄酮 酚类和矿物质 的含量 硒处理下 100 mol L Na 2 SeO 3 的青花菜芽 苗菜总可溶性糖 总酚类化合物 总黄酮 抗坏血 酸 铁和有机硒含量较高 锌含量较低 而在硒处理 基础上 外加 UVA补光处理 40 mol m 2 s 1 对青 花菜芽苗菜总花色苷 总脂肪族硫苷和总硫代葡萄 糖苷含量的影响最为显著 22 硒 100 mol L Na 2 SeO 3 和不同LED光质组合 1R1B1G 1R1B1G Se 1R1B Se 1R2B Se 2R1B Se 60 mol m 2 s 1 PPFD 处理 下 青花菜芽苗菜类胡萝卜素 可溶性蛋白 可溶性 糖 维生素 C 总黄酮 总多酚含量以及总硫代葡萄 糖苷和有机硒含量均显著提高 23 在营养液中增施 6 个不同浓度 0 40 mol L 硒 的硒酸钠能使绿叶 红叶生菜叶片中的硒含量 增加 其中红叶生菜比绿叶生菜多积累了 57 的 硒 在硒浓度为16 mol L时 生菜的多酚含量都增 加 其中红叶生菜的花青素含量显著增加 184 24 在16 mol L硒酸钠处理下 芫荽和乌塌菜的硒含 量均增加 两者的总酚含量分别提高21 和95 在 8 mol L 硒酸钠处理下 紫苏和绿罗勒叶黄素浓度 分别提高19 和7 且硒含量也显著提升 25 相比 不增施外源硒 在营养液中加入1 mg kg的硒并结 合蓝红比为1 9的LED补光处理 生菜苗叶片的硒 含量增加 0 029 mg g 锌 铁含量分别提高 72 97 和 76 09 而加入 3 mg kg 的硒 生菜苗叶片硒含 量比加入1 mg kg的硒处理提高1 717 24 26 20 2 2 锌 锌是一种对人体生长 发育和维持免疫功能具 有重要作用的必需微量元素 涉及所有器官和细胞 类型 并包括数百种关键酶和转录因子 锌稳态是 影响抗病毒免疫的一个关键因素 特别是锌缺乏人 群往往是感染艾滋病毒或丙型肝炎病毒等病毒风 险最大的群体 27 植物是人类饮食中锌的主要来源 食用富锌蔬菜产品 不仅能为人体补锌 而且能提 高人体免疫力 降低感染病毒的风险 13 添加适当浓度的液态锌肥或富锌营养液可提 高作物体内的锌含量 在漂浮栽培系统中增施不 同浓度的锌肥 1 3 2 6 5 2 mg L 锌 马齿苋植株 食用部分的锌含量分别提高 1 8 倍 2 3 倍和 2 7 倍 其中5 2 mg L 锌处理可提高其叶黄素和 胡 萝卜素的含量 28 经过锌处理的芝麻菜和马齿苋锌 含量分别为7 43 16 91 mg kg 29 添加80 100 mol L 锌 能提高花椰菜植株食用部位硫代葡萄糖苷和酚 类等有益物质含量 相比添加10 mol L 锌 花椰菜 硫代葡萄糖苷和酚类物质分别提高16 81 18 58 和17 87 33 38 30 用稀释的ZnSO 4 浸种8 h处理 后 芽苗菜中锌含量富集明显 10 g mL锌浓度处理 下大豆芽苗菜可食部分锌含量提高 2 倍 20 g mL 锌浓度处理下则提高4倍 31 补充80 mol L的锌肥 能显著提高生菜的锌含量 同时降低硝酸盐含量 增 加必需氨基酸含量 32 锌溶液浸种与红蓝光比例影响 菜心芽苗菜的锌含量 采用17 39 mmol L锌浸种的菜 心芽苗菜锌含量分别在1 2和2 1的红蓝光比例下比 清水浸种提高1 153 3 和1 142 9 33 2 3 钾 钾作为一种必需元素 在细胞功能中起着至关 重要的作用 包括维持细胞的液体平衡和渗透压 人体钾平衡由肾脏维持 摄入的大部分钾会通过尿 液排出 相关证据表明 膳食钾含量与血压 心血管 疾病 尤其是中风和冠心病 呈负相关 34 充足的膳 食钾对与年龄相关的骨质流失和肾结石的减少具 有重要作用 食用富钾蔬菜可提高钾的摄入 对预 防中风和冠心病具有重要作用 同时 高钾饮食也 与血压下降有关 35 较低钾浓度处理 2 4 mmol L 下 水培生菜 对矿质元素的利用效率均较高 其中 3 mmol L 钾 素水平比6 mmol L 钾素水平水培生菜对钾元素的 吸收效率高392 4 较高钾浓度处理 6 mmol L 比 低浓度处理 2 mmol L 生菜维生素 C 含量提高 174 74 硝酸盐含量则降低48 96 36 营养液钾浓 度为 3 5 mmol L 时 生菜营养液利用效率 即生菜 产量与营养液消耗量的比值 最高 为186 16 g L 钾 浓度较高 6 mmol L 的营养液比低浓度 0 6 mmol L 栽培时 生菜维生素C含量提高7 88 37 随着全球人口老龄化 慢性肾脏疾病在全球的发 病率呈上升趋势 慢性肾病患者死亡率可能与过量的 钾 钠摄入有关 38 生产低钾含量蔬菜对于慢性肾病患 者尤其是高血钾患者具有重要的医疗保健意义 39 通过不同的光照条件与减少钾供应处理 植物 工厂内可以生产出低钾蔬菜 1R1B 红蓝光配比的 光照 光强为 450 mol m 2 s 1 配合采前 2 周断钾 处理能促进生菜光合色素以及可溶性蛋白 游离氨 基酸 抗坏血酸等物质的积累 同时能显著提高生 菜可溶性蛋白 抗坏血酸 多酚和类黄酮含量 钾含 量最高降幅为 66 6 且生菜中钠 镁 钙含量在一 定程度上均呈升高趋势 40 水培叶菜营养液的供钾 水平在0 79 1 19 mmol L 以及生长后期停止供应 营养液6 8 d 时收获是生产低钾蔬菜的适宜方式 钾含量可降低54 61 不仅能提高其可溶性糖 含量 且停止供应营养液 2 d 还可降低芥菜 生菜 和菠菜的亚硝酸盐含量 41 采收前2周在营养液中 用硝酸钙替代硝酸钾 可使羽衣甘蓝的钾含量降低 70 并能有效提高硫代葡萄糖苷含量 42 3 抗氧化物质富集调控 3 1 多酚和类黄酮 多酚是具有潜在健康促进作用的植物化学物 质 43 是人类饮食中最丰富的抗氧化剂 44 多酚和多 酚微生物代谢产物在人体健康和免疫系统特定方 面可能通过影响细菌代谢酶 从而影响整体患癌风 险 45 摄入多酚类物质与患慢性病风险因素降低间 存在相关性 43 摄入富含膳食多酚的蔬菜产品可预 防慢性疾病 延缓机体衰老 防治心血管疾病 46 黄酮类化合物通常存在于各种植物体内 是一 类多酚化合物 它们的药理活性与各种健康疾病存 在相关作用机制 包括慢性炎症 癌症 心血管并发 症和低血糖等 47 类黄酮类化合物可以减少眼睛晶状 体的氧化损伤 48 在一定程度上提高人体免疫力 光作为植物工厂的关键环境因素 对调控植物 工厂作物多酚 类黄酮等功能性成分起着重要作 用 采取适宜的光质组合光源或不同的给光技术 可以调控植物体内多酚 类黄酮的含量 表1 2023 20 21 表 1 不同光处理对植物多酚 类黄酮等营养物质的调控 作物 处理 植物响应 参考文献 生 菜 高比例蓝光 红蓝光组合 总酚 类黄酮 49 红蓝光及远红光组合下补充紫外光和橙光 总酚 50 10 mol m 2 s 1 UV A 硝酸盐 维生素 C 类黄酮 总酚 51 10 mol m 2 s 1 远红光和 50 mol m 2 s 1 蓝光分阶段补光 叶绿素 抗氧化能力 52 白 菜 1 2红白光 1 1红白光 类黄酮 总酚 53 黄叶白菜 1 1红白光 类黄酮 54 羽衣甘蓝 30 mol m 2 s 1 白光 红光 蓝光 花青素 总酚 55 芥 蓝 10 W m 2 UV A 叶片 FRAP 总酚 类黄酮 56 采前 5 d 10 d补充 10 W m 2 UV A 总酚 57 注 分别表示正 负向调控 下表同 表 2 不同处理对植物硫苷含量的调控 环境因子 作物 处理 植物响应 参考文献 光照 芥蓝芽苗菜 400 nm UV A 430 nm 蓝光 脂肪族硫苷 A GLs 吲哚族硫苷 I GLs 硫苷 T GLs 60 2 3红白光 20 mol m 2 s 1 UV A T GLs 61 红叶白菜 150 mol m 2 s 1 蓝光 T GLs 绿叶白菜 100 mol m 2 s 1 蓝光 T GLs 芥蓝 不同红蓝光比例下 较高比例蓝光 T GLs 63 温度 羽衣甘蓝 低温栽培环境 昼 15 夜 9 T GLs 64 营养液 羽衣甘蓝 3 cm 深营养液栽培 T GLs 65 菜心芽苗菜 10 43 mmol L ZnSO 4 浸种 红蓝光 A GLs 33 青花菜芽苗菜 100 mol L Na 2 SeO 3 UV A T GLs 22 100 mol L Na 2 SeO 3 红蓝光 A GLs 23 62 62 3 2 硫代葡萄糖苷 十字花科蔬菜如 青花菜 花椰菜等富 含生物活性化合物 包括维生素C和维生 素E 膳食纤维以及硫 代葡萄糖苷 硫苷 硫苷及其代谢物 如 异硫氰酸酯和萝卜硫 素具有较强的保健作 用 被认为是潜在的 抗癌药物 58 59 植物工厂光调控 技术对十字花科作物 的硫苷含量具有较大 影响 同时其他环境因 子也影响蔬菜中的硫 苷含量 调节适宜的栽 培环境可调控蔬菜中 的硫苷含量 表2 4 展望 功能性蔬菜品质 调控技术生产具有高 附加值的蔬菜产品有 利于带领植物工厂生 产走出 完全竞争 为植物工厂提供发展 动力 随着LED光源 自动化 智能化 物联网技术 在植物工厂生产中的应用 通过对生产技术的改良 与优化 运行成本的不断降低 产品附加值的提升 植物工厂或许将迎来飞越发展 但涉及园艺学 食 品营养学 机械化与自动化等多学科交叉协作 植 物工厂功能性蔬菜品质调控技术的研发与应用仍 然任重而道远 参考文献 1 Kozai T Plant factories with artificial lighting PFALs Benefits problems and challenges J Smart Plant Factory The Next Generation Indoor Vertical Farms 2018 15 29 2 周增产 董微 李秀刚 等 植物工厂产业发展现状与展望 J 农业工程技术 2022 42 1 18 23 3 张宇 肖玉兰 人工光植物工厂生产成本构成和经济效益 分析 J 长江蔬菜 2017 4 34 40 4 Kozai T Plant factory in Japan Current situation and perspectives J Chron Horticult 2013 53 2 8 11 5 Diplock A Aggett P Ashwell M et al Scientific concepts of functional foods in Europe Consensus document J British Journal of Nutrition 1999 81 1 s1 s27 6 Septembre Malaterre A Remize F Poucheret P Fruits and vegetables as a source of nutritional compounds and phytochemicals Changes in bioactive compounds during lactic fermentation J Food Research International 2018 104 86 99 7 Alissa E M Ferns G A Dietary fruits and vegetables and cardiovascular diseases risk J Critical reviews in food science and nutrition 2017 57 9 1 950 1 962 8 Pan Y Yan J Lu W et al Sub health status survey and influential factor analysis in Chinese during coronavirus disease 2019 pandemic J Journal of Korean Academy of Nursing 2021 51 1 5 14 9 Avato P Argentieri M Brassicaceae A rich source of health improving phytochemicals J Phytochemistry Reviews 2023 20 22 2015 14 6 1 019 1 033 10 Shakoor H Feehan J Al Dhaheri A S et al Immune boosting role of vitamins D C E zinc selenium and omega 3 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change significantly theirbiochemicalandcytotoxicproperties J Journal of Trace ElementsinMedicineandBiology 2020 59 126466 22 Gao M He R Shi R et al Combination of selenium and UVA radiation affects growth and phytochemicals of broccoli microgreens J Molecules 2021 26 15 4 646 23 He R Gao M Shi R et al The combination of selenium and LED light quality affects growth and nutritional properties of broccoli sprouts J Molecules 2020 25 20 4 788 24 Pannico A El Nakhel C Kyriacou M et al Combating micronutrient deficiency and enhancing food functional quality through selenium fortification of select lettuce genotypes grown in a closed soilless system J Frontiers in Plant Science 2019 10 1 495 25 Pannico A El Nakhel C Graziani G et al Selenium biofortification impacts the nutritive value polyphenolic content and bioactive constitution of variable microgreens genotypes J Antioxidants 2020 9 4 272 26 Brazaityte A Miliauskiene J Vas takaite Kairiene V et al The Response of baby leaf lettuce to 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Son Y Park J Kim J et al Production of low potassium kale with increased glucosinolate content from vertical farming as a novel dietary option for renal dysfunction patients J Food Chemistry 2021 339 128 092 43 Di Lorenzo C Colombo F Biella S et al Polyphenols and human health The role of bioavailability J Nutrients 2021 13 1 273 44 Wan M Co V El Nezami H Dietary polyphenol impact on gut health and microbiota J Critical Reviews in Food Science and Nutrition 2021 61 4 690 711 45 Cardona F Andr s Lacueva C Tulipani S et al Benefits of polyphenols on gut microbiota and implications in human health J The Journal of Nutritional Biochemistry 2013 24 8 1 415 1 422 46 Luca S Macovei I Bujor A et al Bioactivity of dietary polyphenols The role of metabolites J Critical Reviews in Food Science and Nutrition 2020 60 4 626 659 47 Wen K Fang X Yang J et al Recent research on flavonoids and their biomedical applications J Current Medicinal Chemistry 2021 28 5 1 042 1 066 48 Milbury P Flavonoid intake 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