LED植物保鮮燈對玫瑰花保鮮的影響

靳肖林，文尚勝,2，付 萌，侯一曼，蔡明興

(1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學發(fā)光材料與器件國家重點實驗室，廣東 廣州 510640)

引言

植物工廠極大地提高了作物質量和產(chǎn)率[1,2]，其中光環(huán)境對植物生長過程中生理活動的調節(jié)起著巨大作用[3]。LED的光譜可動態(tài)控制，加之其高光能利用率，低能耗，長壽命，使得LED正逐漸成為主流植物照明光源[4-6]。玫瑰是一種具有很高經(jīng)濟價值的花卉，但是玫瑰鮮花花期短[7]，而光照處理對果蔬采后生理變化有顯著影響，通過影響葉綠素的組成及含量[8]，以及抗氧化酶的活性，起到延緩植物衰老的保鮮作用[9-11]。我們將設計的光譜可調LED植物燈用于玫瑰花保鮮實驗，通過PWM調光調節(jié)RGB LED的光譜組成，探究光質和光照周期對切花玫瑰采后失水率、抗氧化物質含量的影響，并力求探索出最有利于玫瑰花采后保鮮的光照條件，為LED光源在蔬果保鮮和花卉栽培領域的應用提供相應的科學參考。

1 實驗材料與實驗設計

1)供試材料處理。實驗用紅色玫瑰花品種“超大號”，釆自于廣州市嶺南花卉市場，采購時選取大小均勻、成熟度一致、花苞緊實的切花玫瑰(圖1)。采購的玫瑰花在2 h內運回實驗室。

切花玫瑰的處理：摘掉保護網(wǎng)，去除玫瑰花刺、葉片以及殘損的花瓣，以避免與變量無關因素對實驗結果的影響。

圖1 實驗用鮮切玫瑰花Fig.1 Fresh cut roses for experiments

2)保鮮實驗光環(huán)境設計。根據(jù)光子生物學的理論知識，從光質比、光周期、光量子通量密度(PPFD)三個方面對光源參數(shù)進行設定。實驗中使用的LED光源為設計的光譜可調LED燈具，通過PWM調光模塊對光譜進行調控，使得四個實驗組紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)光質比分別為A組：R+G+B，B組：G+B，C組：R+G，D組：G，對照組為自然光照射，其光照周期由自然環(huán)境決定(8 h/24 h～12 h/24 h)，其光強為30～150 μmol·m-2·s-1(且僅在中午12：00—14：00才可能達到最大光強)。各組光源的光譜如圖2所示。實驗中控制每組光源在距離10 cm的接收面上的PPFD值為60 μmol·m-2·s-1，每組內再設置三組光照周期分別為6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h的實驗組。實驗室溫度控制在25 ℃±1 ℃，相對濕度控制在65%±1%。將玫瑰花置于A、B、C、D四組光質不同的光環(huán)境及對照組下進行實驗。實驗數(shù)據(jù)由遠方SPIC-200B光譜彩色照度計進行測量。

圖2 實驗組光譜圖Fig.2 Spectra of experimental groups

2 玫瑰保鮮實驗指標的測定測定

實驗每次測定重復3次，每個指標每次測定取各組的三朵鮮切玫瑰花。

1)失重率測定。每天早上8點用電子天平稱每個實驗組切花玫瑰(6朵)的鮮重M,14:00稱A～D組光照周期為6 h實驗組玫瑰花(6朵)的鮮重m1,17:00稱A～D組光照周期為9 h實驗組玫瑰花(6朵)的鮮重m2，20:00稱A～D組光照周期為12 h實驗組玫瑰花(6朵)的鮮重m3，實驗組玫瑰花日失重率w1由公式(1)計算。

(1)

2)多酚的測定。在6天實驗結束后，對玫瑰花內部多酚總含量進行測定。

新鮮花朵取其花瓣，用電子天平準確稱取1.5 g，磨碎，用50 ml蒸餾水定容，置三角瓶中，密封，(99±1)℃恒溫水浴30 min，提取水溶性物質，迅速冷卻，常溫(25 ℃)離心10 min，取上清液(花卉粗提液)作為待測試樣。

測定方法:吸取l ml待測試樣,加入4 ml蒸餾水,加入5 ml酒石酸亞鐵溶液,再用100 mmol/LPBS(pH 7.5)定容到25 ml,以蒸餾水代替供試液加入同樣試劑作為空白,540 nm波長下測定吸光度(A),重復3次，根據(jù)公式(2)計算多酚含量(mg/g)[12]。

(2)

其中VT為供試液總量，VO為吸取供試液量，m為樣品質量；7.826是按上述操作條件,當吸光值等于1.0時,每毫升玫瑰花提取液中多酚類物質的毫克數(shù)。

3)類黃酮的測定。在6天實驗結束后，對玫瑰花內部類黃酮總含量進行測定。

玫瑰花在40 ℃條件下干燥4 h后粉碎，用精密儀器精確稱量2g玫瑰花和過篩的花渣，使用70 W超聲波在料液比1∶15和75%乙醇條件下提取30 min，趁熱過濾，濃縮至干，用 30%的乙醇溶解定容在100 ml容量瓶中，得到玫瑰花提取液。

黃酮類化合物與鋁鹽作用后，生成黃色深淺與黃酮的含量成比例關系的黃酮鋁鹽絡合物。以蘆丁標準曲線為對標準，對提取液與鋁鹽作用產(chǎn)物的吸光度進行測定，采用紫外分光光度法測定總黃酮的含量[13]。吸取1 ml提取液于25 ml比色管中，測定吸光度A，并通過標準曲線的回歸方程換算成濃度Y(mg/ml)，則玫瑰花提取液中總黃酮含量為

(3)

4)花色苷的測定。在6天實驗結束后，對玫瑰花內部花色苷總含量進行測定。

采用經(jīng)典的pH示差法對切花玫瑰花色苷含量進行測定。測得的總花色苷含量用矢車菊花色苷元-3-葡萄糖苷含量表示。在200～700 nm波長范圍內掃描,得到花色苷在此波段的最大吸收波長，然后分別用pH 1.0的鹽酸氯化鉀緩沖液和pH 4.5的醋酸-醋酸鈉緩沖液稀釋樣品，平衡后在最大吸收波長處測定二者的吸光度。用700 nm處吸光度來作為模糊度的校正[14]，花色苷含量計算公式如下：

(4)

其中吸光度A=(Amax-A700 nm)pH1.0-(Amax-A700 nm)pH4.5；MW(以矢車菊-3-葡萄糖苷計)=花色苷分子量(449.2)；DF為稀釋倍數(shù)；ε(以矢車菊-3-葡萄糖苷計)=摩爾消光系數(shù)(29600)；s為光程。

3 實驗結果與分析

3.1 光質與光照周期對切花玫瑰采后失重率的影響

由植物生理學基礎可知，切花玫瑰在離開母體后仍進行正常的水分代謝、呼吸代謝，且糖分和蛋白質含量均有變化，消耗自身儲備的有機物和水分必將會導致玫瑰花的重量減少，從而引發(fā)失重(見圖3)。

圖3 不同光質組玫瑰的日失重率Fig.3 The daily weight loss rate of roses in different light quality groups

由圖3可以看出，在光照周期相同時，前三天自然光對照組失重率最高，后三天自然光組失重率增長速度明顯減慢，與此同時(R+G+B)組失重率增長迅速，實驗結束時各實驗組失重率關系為：(R+G+B)>自然光對照組>G>(B+G)>(R+G)>(R+B)control。實驗前對玫瑰花處理，摘掉了其葉片，排除了采后光合作用的影響。實驗結果表明，紅藍光對照組失重率最低，我們猜測這種光質可能對玫瑰花采后呼吸作用有一定抑制作用，從而減少呼吸作用消耗的水分和有機物?；蛘哌@種光質對玫瑰花體內其他生理活動有促進作用，提高了玫瑰花內部有機物的含量這種解釋是不合理的。王春昕等[15]研究表明，紅光對植物開花影響作用最大，并且可以提高可溶性糖含量。藍光可以提高蛋白質含量，有利于蒽醌類次生代謝物的積累。紅藍混合光下明顯促進蘭花的生物量的增加和生長。據(jù)此，紅藍光對照組失重率低的原因可能是這種光質組合促進了玫瑰花內可溶性糖和蛋白質的積累；紅綠光處理組紅光對生物量的積累作用顯著，可能原因是紅光對物質積累的促進作用抵消了綠光對失重率的影響，此組實驗組失重率仍較低。(G+B)光和G光處理略高，因為綠光對生物量積累作用不顯著，且藍光對積累有機物的作用不如紅光明顯。由(G+B)、(R+G)對比可看出紅光比藍光保持鮮重的效果更好，因為藍光在促進蛋白質含量上升的同時也促進氣孔開放，加快水分流失。氣孔主要存在于植物葉片，但花瓣上也有少量。紅綠藍光實驗組和自然光對照組失重率較高，自然光組光譜范圍較廣，除了較為有用的紅藍光，還包括了其他波長光，因此其對減小失重率的作用甚微。

由圖4可以看出，在(R+G+B)和G組，光照周期為12 h的實驗組失重率最高，9 h組次之，6 h組失重率最低。在(B+G)組，除第5天9 h組失重率最高外，其他時間12 h組失重率最高，且9 h組與其相差不大，6 h組失重率一直最低。在(R+G)組，12 h組失重率一直最高，且在實驗最后一天6 h組與12 h組失重率幾乎一樣高， 6 h組失重率在第3、5、6天超過9 h組?？傮w來說，光照周期增長，失重率升高，這可能是因為光處理促進玫瑰花生理活動積累的有機物不能抵消長時間光照時其消耗的水分，造成整體失重率下降。

圖4 不同光照周期組玫瑰花日失重率Fig.4 The daily weight loss rate of roses in different lighting time groups

3.2 光質與光照周期對切花玫瑰多酚含量的影響

植物多酚的結構復雜,是玫瑰花體內重要的抗氧化劑，對氧自由基有清除能力。對A、B、C、D組內的三個樣品多酚含量取平均值，計算其相對于自然光對照組多酚含量的增長比D，如公式(5)所示。數(shù)據(jù)結果如圖5所示。

(5)

四種光質處理均不同程度地促進了多酚含量的上升，使實驗組玫瑰花的多酚含量顯著高于對照組水平。光照周期為6 h的實驗組中，C(紅+綠)組多酚含量增長最為顯著，高于100%，A(紅+綠+藍)組次之，B、D組樣品的多酚含量增長不是很顯著。光照周期為9 h的實驗組中，A、B組樣品多酚含量增長比均超過了100%，C、D組次之。光照周期為12 h的實驗組中，四組實驗組的增長比均相對9 h組顯著下降，其中A、B、C組差別不大，而D組單一綠光光質對多酚含量幾乎沒有影響。綜合實驗結果來看，A組(紅+綠+藍)光質、C組(紅+綠)光質對促進多酚含量增長作用更為顯著。D組單一綠光光質對促進多酚含量作用不明顯。

圖5 不同實驗組相比于對照組鮮切玫瑰多酚含量Fig.5 The content of polyphenols in different fresh cut roses experimental groups

3.3 光質與光照周期對切花玫瑰采后類黃酮含量的影響

類黃酮屬于酚類，是天然的抗氧化劑?；S素類黃酮、黃酮醇及其衍生物統(tǒng)稱花黃素類，是廣泛分布于植物組織細胞中的一類水溶性色素。

對A、B、C、D組內的三個樣品類黃酮含量取平均值，計算其相對于自然光對照組多酚含量的增長比，數(shù)據(jù)結果如圖6所示。

圖6 不同實驗組鮮切玫瑰類黃酮含量Fig.6 The content of flavonoids in different fresh cut roses experimental groups

B、D實驗組中，隨光照時長增加，類黃酮含量的增長比先升再降；與此同時，A、C組的類黃酮的增長比一直減小。說明并不是光照周期越長，玫瑰花內部抗氧化劑類黃酮的含量越多，過長的光照周期反而不利于類黃酮含量的積累。6 h和9 h是較適宜類黃酮類物質合成的光照時長。

除了D單一綠光光質，光照時長為12 h組外，四種光質處理均不同程度地促進了類黃酮含量的上升，使其顯著的高于對照組水平。光照周期為6 h的實驗組中，C(紅+綠)組類黃酮含量增長最為顯著，超過100%，A(紅+綠+藍)組次之，B、D組樣品的類黃酮含量增長不是很顯著；光照周期為9 h的實驗組中，A、B組樣品類黃酮含量增長較為顯著，C、D組幾乎一樣；光照周期為12 h的實驗組中，四組實驗組的增長比均相對9 h組顯著下降，A、B組增長比相近，約為20%；而C組增長比甚至為負值，說明光照周期相同的條件下，本組樣品中類黃酮含量比對照組稍低。而D組單一綠光光質對類黃酮含量幾乎沒有影響。綜合實驗結果來看，A組(紅+綠+藍)光質、C組(紅+綠)光質光照6 h對促進類黃酮含量增長作用更為顯著，B組(綠+藍)光質光照9 h對促進類黃酮含量增長作用更為顯著。D組(單一綠光)光質對促進類黃酮含量作用不明顯。

3.4 光質與光照周期對切花玫瑰采后花色苷含量的影響

相關研究已證明，花色苷色素具有很強的除去自由基和抗氧化的能力，可以防治許多由自由基引起的疾病。對光照周期為6 h和9 h的A、B、C、D組的三個樣品花色苷含量取平均值，計算其相對于自然光對照組花色苷含量的增長比，由于光照12 h組花色苷含量太低而無法測量，只測得6 h和9 h組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結果如圖7所示。

圖7 不同實驗組鮮切玫瑰花色苷含量Fig.7 The content of anthocyanins in different fresh cut roses experimental groups

(B+G)、G實驗組中，6 h處理組花色苷含量較低，隨光照時間增加到9 h，樣品花色苷含量相對于對照組的增長比均呈現(xiàn)增長趨勢，(R+G+B)、(R+G)實驗組中，6 h處理組花色苷含量較高，均高于100%，隨光照時間增加到9 h，樣品花色苷含量增長比減小。

四種光質處理均不同程度地促進了花色苷含量的上升，使其顯著的高于對照組水平。紅+綠+藍光質、紅+綠光質光照6 h對促進花色苷含量增長作用更為顯著。綠+藍光質、單一綠光光質光照9 h對促進類黃酮含量增長作用更為顯著。這與光質對類黃酮含量的影響結果相近。

4 結論

我們將設計的光譜可調LED植物燈用于玫瑰花保鮮實驗，通過PWM調光調節(jié)RGB LED的光譜組成，得到光質比分別為(R+G+B)、(G+B)、(R+G)、G的實驗組，并設置光照周期分別為6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h。通過測定不同光處理組玫瑰花采后日失重率以及實驗結束后多酚、類黃酮、花色苷三種抗氧化物質的含量，探究最適合玫瑰花保鮮的光條件。實驗結果表明，從光照周期的影響來看，過長的光照周期不利于玫瑰花鮮重保持，光質相同的條件下，12 h/24 h組的失重率明顯高于其他光照時長組，而抗氧化性物質含量卻明顯低于其他實驗組，不利于玫瑰保鮮。從光質的影響來看，(R+G)在四組實驗組中失重率最低，對玫瑰采后鮮重保持效果最好，有利于多酚含量增加的最佳光質和光照時長是R+G+B(9 h/24 h)，有利于類黃酮含量增加的最佳光質和光照時長是R+G(6 h/24 h)，有利于花色苷含量增加的最佳光質和光照時長是R+G(6 h/24 h)。綜合考慮以上因素，我們認為R+G(6 h/24 h)是更有利于玫瑰花采后保鮮的光照條件。