LED應(yīng)用于蔬菜保鮮領(lǐng)域的研究進展

范林林 左進華 高麗樸 王清

摘要發(fā)光二極管（LED）是一種固態(tài)照明裝置，具有波長更為穩(wěn)定、更加節(jié)能、環(huán)保的特點，已被廣泛應(yīng)用于園藝產(chǎn)品生產(chǎn)中，可有效提高園藝產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)。近年LED被證明在果蔬采后保鮮領(lǐng)域也有優(yōu)越的表現(xiàn)，可顯著提高果蔬采后的營養(yǎng)品質(zhì)，延緩果蔬采后衰老，減少真菌侵染等。綜述了LED應(yīng)用于蔬菜保鮮領(lǐng)域的原理、特點和研究進展，同時指出目前國內(nèi)外LED光照射采后蔬菜保鮮技術(shù)中存在的問題，并對未來LED光照射采后蔬菜的保鮮技術(shù)進行展望。

關(guān)鍵詞蔬菜；發(fā)光二極管；保鮮

中圖分類號S609+.3文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）08-0089-04

Research Progress in the Application of LED in Vegetables Preservation

FAN Linlin，ZUO Jinhua，GAO Lipu，WANG Qing*（Beijing Vegetable Research Center，Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Beijing Key Laboratory of Fruits and Vegetable Storage and Processing，Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Horticultural Crops （North China） of Ministry of Agriculture； Key Laboratory of Urban Agriculture （North China） of Ministry of Agriculture，Beijing 100097）

AbstractLED is a solid state lighting device，and its wavelength is more stable，energyefficient and environmentally friendly.LED is widely used in horticulture production process，and can effectively improve the yield and quality of horticultural products.In recent years，LED has been proved to have superior performance in the field of postharvest preservation，and can significantly improve the nutritional quality of fruits and vegetables after harvest，delay postharvest senescence，reduce fungal infection and so on.This article introduces the principles，characteristics and application of LED light in the fields of vegetables preservation.Furthermore，the problems in the application，and development trends and prospects in the vegetable preservation have been especially outlined.

Key wordsVegetables；LED；Preservation

蔬菜作為人們?nèi)粘ｏ嬍持斜夭豢缮俚氖澄镏?，能為人體提供豐富的維生素、礦物質(zhì)和膳食纖維，具有抗癌、美膚、瘦身等作用。隨著健康飲食觀念的深入，人們越來越重視蔬菜的攝入，同時也對其品質(zhì)提出了更高的要求。我國蔬菜資源非常豐富，據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計，2011年我國蔬菜總產(chǎn)量達6.79億t，是我國第一大農(nóng)產(chǎn)品[1]。采后蔬菜失去外界養(yǎng)分供應(yīng)，而本身生命活動仍在進行，若在貯運中沒有采取適當?shù)谋ｕr措施，則會造成蔬菜的腐爛、變質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，美國等發(fā)達國家的蔬菜采后損失率小于5%，而我國由于技術(shù)設(shè)備等原因，蔬菜采后損失率為30%左右[2-3]，這對我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常不利。目前采后蔬菜的保鮮方法主要是通過減緩蔬菜水分蒸發(fā)、抑制蔬菜生理反應(yīng)和控制蔬菜微生物生長繁殖來進行。

光照處理是一種新興的應(yīng)用于蔬菜保鮮的非加熱物理保鮮技術(shù)，可有效地維持蔬菜外觀品質(zhì)和延長貨架壽命[4-5]。與傳統(tǒng)的物理、化學(xué)保鮮技術(shù)相比，光照處理具有來源廣泛、成本低廉、無毒害、環(huán)境友好型等優(yōu)點[6]。據(jù)報道，在光照條件下，蔬菜尤其是綠色蔬菜類在貯藏初期會繼續(xù)進行光合作用，積累營養(yǎng)物質(zhì)[7-9]。發(fā)光二極管（LED）是一種固態(tài)照明裝置，具有窄帶寬的光波長、高輻照量、低熱量、方便、可移動性、易整合到其他設(shè)備中（冰箱等）等優(yōu)點，且LED的光譜波長、發(fā)光強度、裝置易于控制[10]。20世紀60年代后期是LED的初始發(fā)展階段，當時LED主要應(yīng)用于指示照明燈領(lǐng)域。在隨后的幾年里，LED作為一種新的半導(dǎo)體材料，其發(fā)展相當迅速，晶體技術(shù)和光學(xué)也得到改善[11-13]。因此，LED普遍存在，且在照明用途上得到有效利用。在園藝和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，人們發(fā)現(xiàn)LED能促進植物生長。有研究表明，LED可提高農(nóng)作物產(chǎn)量以及農(nóng)產(chǎn)品中營養(yǎng)物質(zhì)的含量[14-16]。LED也可用于果蔬的采后保鮮，隨著新型光能源LED的出現(xiàn)，使得LED照射更加便于對蔬菜進行采后生理調(diào)控，不同顏色可見光照射在采后蔬菜保鮮中開始規(guī)模化應(yīng)用。同時，隨著科技的發(fā)展，LED將會變得更加有效率，且更加便宜。

筆者綜述了LED光照應(yīng)用于蔬菜保鮮領(lǐng)域的原理、特點和研究進展，同時指出目前國內(nèi)外LED光照射蔬菜保鮮中存在的問題，并對未來LED光照射采后蔬菜的保鮮技術(shù)進行展望，旨在為我國采后蔬菜保鮮技術(shù)的發(fā)展提供參考。

1LED光照保鮮技術(shù)原理和特點

1.1原理1962年美國物理學(xué)家尼克·何倫亞克發(fā)明了LED燈裝置，即一種具有2個電極的半導(dǎo)體發(fā)光器件。LED燈的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周被環(huán)氧樹脂密封。其發(fā)光的基本原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)或類似結(jié)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)換成光能。但是，它能發(fā)出不同顏色光的主要原因是材料中電子和空穴所占的能級有所不同。能級的高低會影響電子和空穴復(fù)合后光子的能量，從而產(chǎn)生不同波長，即不同顏色的光[17]（圖1）。因此，不同的材料組成就能產(chǎn)生不同的能級，并且發(fā)出不同顏色的光。例如紅光是由鎵砷磷化合物（GaAsP）、鋁鎵砷化物（AlGaAs）、鋁鎵銦磷化物（AlGaInP）或鎵磷化物的結(jié)合體發(fā)出的光[18-19]；藍光是由銦鎵鎳化物（InGaN）和鋅砷化合物（ZnSe）的結(jié)合體發(fā)出的光[18-20]等。

1.2特點

相對于傳統(tǒng)光源（高壓鈉燈和金屬鹵化物燈），LED燈具有光質(zhì)純、光效高、壽命長、波長類型豐富、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點（表1）。在正常使用下，LED燈壽命可達10萬h。在極端高溫和電流下，LED燈的壽命會縮短，尤其是在高溫、高濕的環(huán)境下，它的壽命會大大縮減，但比傳統(tǒng)光源更耐用、使用壽命更長[21]。LED可發(fā)射單色光，其半波寬大多為20 nm，能夠精確地為植物光合作用和生長發(fā)育提供所需的光譜，且能提高光能的利用率。大量研究已證明，植物需要通過光照來調(diào)控體內(nèi)激素含量、形態(tài)的變化，并且不同的波長起到的作用也不同。紅光（660 nm）和藍光（420～450 nm）能夠提高植物體內(nèi)葉綠素的含量，因此它們在光合作用中最為重要[22-24]。

2.1LED單色光對蔬菜采后品質(zhì)的影響

關(guān)于可見光、紫外線等在維持蔬菜貯運品質(zhì)中的應(yīng)用逐漸引起了研究者的注意，近年國內(nèi)外對于光質(zhì)，尤其是單色光的研究已成為熱點[4]，原因是LED單色光具有波長更為穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保的特點，可精確研究單色光對蔬菜采后品質(zhì)的影響。

蒲高斌等[35]研究表明，相比于其他光質(zhì)，紅光可有效改善轉(zhuǎn)色期番茄的果實著色，是促進番茄紅素合成的最有效光質(zhì)，而藍光能顯著提高番茄的VC含量。隨著人們對蔬菜營養(yǎng)成分的重視以及新型有效保鮮技術(shù)的需求，可見光照射在蔬菜保鮮中營養(yǎng)品質(zhì)的調(diào)控方面應(yīng)用逐漸增多；不同顏色弱光照射對蘆筍、西蘭花、青椒、獼猴桃等在貯運中的品質(zhì)維持具有一定的效果[36-38]。Alba等[39]報道，相比于其他光質(zhì)，紅光定時處理番茄可將番茄紅素含量提高2～3倍。Lester等[40]研究表

明，在菠菜貯藏期間，連續(xù)光照可提高其各種生物活性物質(zhì)含量。Noichinda等[5]研究發(fā)現(xiàn)，光照處理可增加芥藍貯藏期間葡萄糖和果糖含量，抑制VC含量下降。MartínezSnchez等[8]研究表明，連續(xù)光照處理鮮切生菜的失重率要比無光對照組的低0.4%。Liu等[41]研究表明，光照可顯著提高收獲期番茄果實的品質(zhì)。

閻瑞香等[42]研究表明，在5 ℃貯藏條件下，不同LED光源對蘆筍在貯藏中顏色變化的影響存在差異；LED綠光和白光照射可較好地保持蘆筍的感官品質(zhì)，抑制其葉綠素的降解，進而有效地抑制蔬菜的褪綠黃化，減緩蘆筍的衰老進程，有利于蘆筍的貯藏保鮮；而LED紅光、黃光和藍光照射對蘆筍的感官品質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)影響與對照相比不顯著。張娜等[43]研究表明，LED紅光處理能抑制西蘭花葉綠素含量的下降，抑制色差值L*升高，維持色差值a*及b*穩(wěn)定，降低呼吸強度，推遲呼吸高峰，延緩乙烯生成速率，貯藏結(jié)束時，光照處理組感官評分極顯著高于對照組（P<0.01）。說明LED紅光能夠延緩西蘭花褪綠、黃化，有利于西蘭花的保鮮貯藏。Dhakal等[33]研究表明，相比于無光對照和LED紅光組，LED藍光處理可較好地延長番茄的貨架壽命，維持其較高的硬度和番茄紅素含量，抑制其成熟衰老進程，對番茄有較好的保鮮作用。Ma等[32]研究表明，LED紅光可較好地抑制西蘭花的黃化、成熟衰老，除此之外，還可較好地抑制西蘭花的乙烯釋放量，維持其較高的抗壞血酸鹽含量；而LED藍光卻沒有以上效果。日本三菱電機公司研制出利用LED進行蔬菜保鮮的新方法，在冷藏庫內(nèi)用590 nm的橙色光LED照射蔬菜，蔬菜的VC含量大大增加；此前，用普通照明燈光貯存的蔬菜VC含量普遍下降，例如花椰菜的VC含量最初為100 mg/kg，3 d后減少到80 mg/kg；而采用新的光照方法，VC含量從100 mg/kg增加到110 mg/kg。另外，卷心菜的黃色菜心也因LED光照變成綠色，VC含量也明顯提高。該方法改變了蔬菜的冷藏概念，從單純的保鮮提高到保持其營養(yǎng)功能[44]。

45卷8期范林林等LED應(yīng)用于蔬菜保鮮領(lǐng)域的研究進展

2.2LED復(fù)合光對蔬菜采后品質(zhì)的影響

在普通冷藏環(huán)境下，弱光照射能適當延長蔬菜的貨架壽命[45]，且不同的光配比、光強度對蔬菜的保鮮品質(zhì)影響較大[46-49]。李寧等[38]研究表明，以無光處理為對照，研究LED紅藍、LED紅綠復(fù)合光對西蘭花保鮮效果的影響，結(jié)果表明：LED紅藍復(fù)合光保鮮效果顯著，不僅可延長西蘭花貨架壽命，而且可延緩乙烯釋放量峰值、呼吸躍變出現(xiàn)的時間，降低呼吸躍變的峰值，抑制膜脂過氧化對西蘭花造成的損傷。劉曉英等[49]研究發(fā)現(xiàn)，較大比例紅光照射處理全生育期櫻桃番茄果實能促進可滴定酸的形成，60%的藍光可提高番茄果實中的VC含量。伍新齡等[51]研究發(fā)現(xiàn)，與無光對照相比，LED紅藍復(fù)合光間歇照射有利于保持西蘭花良好的外觀品質(zhì)，抑制營養(yǎng)物質(zhì)的流失速率，延緩其衰老進程，對西蘭花具有較好的保鮮效果，與低溫避光處理相比較，西蘭花貨架期可延長5 d以上。王超等[50]研究發(fā)現(xiàn)，10 μmol/（m2·s）光照處理有利于保持采后西芹的葉綠素和VC含量，10 μmol/（m2·s）光強下背光面和無光處理組的葉綠素損失率分別是迎光面下的1.56和1.50倍，VC損失率分別是迎光面下的1.67和1.86倍；在控制好相對濕度的前提下，光照處理不會加大西芹的失重率；10 μmol/（m2·s）光照可較好地維持西芹的硬度。雷靜等[52]研究表明，4 ℃貯藏過程中，LED紅藍單色弱光照射能促進綠熟期櫻桃番茄更好地完成后熟，延緩成熟衰老，保持營養(yǎng)物質(zhì)含量；與對照相比，LED紅光和藍光弱光照射可顯著促進櫻桃番茄還原糖和可溶性總糖的合成（P<0.05），維持可溶性固形物（TSS）及可滴定酸（TA）的含量；藍光能更有效地抑制VC的氧化降解，而紅光則能更好地促進番茄紅素的合成，提高其貯藏品質(zhì)。Seo等[53]研究了LED紅光、藍光、白光和紅光+藍光對苦蕎芽菜酚類物質(zhì)含量的影響，結(jié)果表明，LED藍光可較好地維持其酚類化合物的含量，增強了苦蕎芽菜中酚類物質(zhì)合成所對應(yīng)的基因表達。

3LED光照在蔬菜保鮮應(yīng)用中存在的問題及展望

3.1存在問題

LED光具有安全、節(jié)能、簡便等特點，對采后貯運中的蔬菜具有較好的保鮮效果，在蔬菜采后流通保鮮中有潛在的應(yīng)用價值。目前多數(shù)研究集中在LED白光、紅光、藍光、綠光、橙光對蔬菜采后品質(zhì)的影響，而LED紫光、青光、黃光對蔬菜的保鮮效果研究較少。另外，不同的蔬菜品種對光質(zhì)、光強需求不同，而其需求的規(guī)律是不明確的，進而不能準確地使用LED燈，包括LED燈的安裝方式、安裝密度、調(diào)節(jié)方法等。因而進一步推進LED光處理蔬菜保鮮的基礎(chǔ)研究，有助于LED在保鮮領(lǐng)域的推廣和發(fā)展。

3.2展望

LED光處理貯運中的蔬菜能有效殺菌、使其進行光合作用，讓蔬菜持續(xù)保持新鮮。除此之外，LED光照對蔬菜中一些主要營養(yǎng)成分也有較大的影響，如VC、葉綠素和胡蘿卜素等，因此需研究LED光照是否會改變蔬菜的品質(zhì)[54]。LED光處理是一種有效的蔬菜儲存保鮮技術(shù)，能幫助減少采后蔬菜行業(yè)中的損耗和浪費。第一，未來將利用單色性比較好、光譜分布比較廣的LED燈，模擬植物生長最需要的400～500 nm波長的藍光、600～700 nm波長的紅光等，通過可編程控制器實現(xiàn)對LED光的調(diào)節(jié)，模擬太陽光環(huán)境，使得貯運中的果蔬依然保持活性。第二，開發(fā)適合貯運設(shè)施的LED裝置，如將可調(diào)的LED燈置入零售終端貨架、冰箱、冷庫中，進而形成一個簡便、有效的蔬菜保鮮方式。第三，可采用其他保鮮技術(shù)與LED光照處理聯(lián)合應(yīng)用于采后蔬菜的保鮮，如UV-C或B與LED聯(lián)合使用，1-MCP與LED白光聯(lián)合使用等，使其得到更佳的保鮮效果。

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