半導(dǎo)體照明果蔬保鮮研究進展

李淋倍,林海濤,王 憶

(1.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006；2.廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院， 廣西 柳州 545006；3. 五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020)

引言

近年來隨著人們對食品安全意識的提高，半導(dǎo)體照明技術(shù)以其安全無毒害、無副產(chǎn)物殘留及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，作為一種綠色、安全、環(huán)保的物理保鮮技術(shù)而逐漸受到研究人員的關(guān)注[1，2]。由于多學(xué)科交叉，涉及到植物學(xué)、植物光度學(xué)、化學(xué)和光譜學(xué)等領(lǐng)域，致使對這種物理保鮮技術(shù)的研究發(fā)展較為緩慢，對半導(dǎo)體照明技術(shù)應(yīng)用于果蔬采后保鮮領(lǐng)域的研究總體上還處于探索階段，也存在諸多問題[3，4]。一些果蔬專業(yè)的研究人員由于缺乏光譜學(xué)和植物光度學(xué)方面的專業(yè)知識，在做研究時，將人眼光度學(xué)和植物光度學(xué)的一些概念和單位混淆，以致很多研究數(shù)據(jù)失去其實際意義。比如，將不同的單色光源理解為只是顏色的不同，將光配比簡單理解為不同顏色的單色燈珠數(shù)量比，以致不能得出準(zhǔn)確的或具有實際意義的研究數(shù)據(jù)。本文針對這些問題給出了光對果蔬后保鮮的作用機理和理論解釋以及LED光源光學(xué)設(shè)計方案。

1 植物光度學(xué)和人眼光度學(xué)的相關(guān)知識

為了避免在研究和生活中出現(xiàn)以上提到的問題，我們很有必要掌握一些植物光度學(xué)和人眼光度學(xué)的相關(guān)知識。植物光度學(xué)參量是基于植物對光的敏感曲線來測量與評價對植物光照的光度學(xué)參量；而人眼光度學(xué)參量則是基于人眼視覺函數(shù)來測量與評價人眼用光的光度學(xué)參量。植物對不同波長的光的敏感度與人眼對不同波長的光的敏感度完全不同。人眼對黃綠光較敏感，敏感峰值在555 nm處；而植物對紅藍光較敏感，有兩個敏感峰，峰值分別在430～450 nm之間和620～650 nm之間。最常用的植物光度學(xué)參量為光合光量子通量(Photosynthetic Photon Flux，PPF)和光合光量子通量密度(Photosynthetic Photon Flux Density，PPFD)。光合光量子通量指的是在350～800 nm波長范圍內(nèi)，光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出光子的數(shù)量，單位為μmol；光合光量子通量密度指的是單位面積上的光合光量子通量，即光源在單位時間內(nèi)發(fā)射出的光投射在單位面積上的光子數(shù)量，單位為μmol/m2/s。而最常用的人眼光度學(xué)參量則為光通量和照度。光通量是指在可見光范圍內(nèi)(400～760 nm)輻射通量與人眼視見函數(shù)的積分，單位為流明(lm)；照度指的是單位面積上的光通量，單位為勒克斯(lx)。所以說，如果用人眼光度學(xué)參量計量和評價植物光照效果是毫無意義的。

2 光照對果蔬采后保鮮的作用機理

果蔬在采收之后仍可以進行光合作用而得以正常生長。在比較寬的光譜當(dāng)中，紫外光對植物的色澤及形態(tài)有顯著的影響[5，6]；紅藍光則是植物生長所需光的主力軍，影響著植物形態(tài)及大部分的生理活動[7-9]；綠光和紅外光則影響著植物傳送運輸營養(yǎng)及水分[10，11]。同樣，果蔬在采收后，其衰敗前仍是鮮活的生命體，并具有光合作用的能力，能夠通過光合作用吸收光能，將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，并繼續(xù)積累光合物質(zhì)，維持其生理活動[1]。當(dāng)然果蔬采收后的光合作用還會受到貯藏環(huán)境溫度、濕度、二氧化碳濃度等因素的影響。在黑暗條件下，采收后的果蔬會加快衰老，當(dāng)在有一定的光照時，其衰老將顯著減緩[2]。經(jīng)過研究人員這幾年來的研究探索，關(guān)于光對果蔬采后保鮮的作用機理有如下觀點：(1)大部分研究人員認(rèn)為，采后的果蔬仍具有光合作用能力，光照可以調(diào)控果蔬氣孔開放，光敏色素吸收光能，將光能轉(zhuǎn)為化學(xué)能，并產(chǎn)生糖類物質(zhì)，使葉綠體延遲降解，進而延緩衰老[1-4]；(2)有一部分人持有不同的看法，認(rèn)為不是光敏色素參與其中產(chǎn)生的作用，是通過光合作用和呼吸作用形成 ATP 所致，糖類物質(zhì)是間接形成的，所起到的作用不大[13-21]；(3)某一波長的光能一定程度抑制果蔬組織內(nèi)乙烯的釋放，延遲乙烯釋放峰的出現(xiàn)，進而延緩組織衰老[21-25]；(4)某一波長的光(如紫外線、紫光和藍光等)具有殺菌消毒的作用，可抑制采后果蔬表面微生物的生長，從而延緩了果蔬的衰腐[26-31]；等等。

3 各種光質(zhì)LED光源對果蔬采后保鮮作用研究情況

2010年之前，研究人員基本都是利用鎢絲燈或熒光燈等傳統(tǒng)燈具作為光源研究光照對果蔬采后保鮮作用，研究的光基本都是非單色光；2010年之后，隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的迅速發(fā)展，LED光源做為一種綠色環(huán)保、節(jié)能耐用的新型光源應(yīng)用于植物照明領(lǐng)域，同時對其應(yīng)用于果蔬采后保鮮也受到了研究人員的廣泛關(guān)注。在一定的波長范圍內(nèi)，研究人員可以根據(jù)自己的需要，選擇可發(fā)出某一波長范圍的單色光LED作為實驗光源以研究光照對果蔬采后貯藏保鮮作用。各單色光LED對果蔬采后貯藏保鮮作用效果情況見表1～表4。

表中的光照強度數(shù)據(jù)均為參考文獻的原始數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)的單位用的是人眼光度學(xué)單位，為尊重原創(chuàng)，不做修改，僅供參考，后人若做相關(guān)研究需引用表中數(shù)據(jù)則要斟酌用之。

表1 紫外光作用于果蔬采后保鮮效果

表2 藍光作用于果蔬采后保鮮效果

表3 綠光作用于果蔬采后保鮮效果

表4 黃橙光作用于果蔬采后保鮮效果

表5 紅光作用于果蔬采后保鮮效果

除了用單色LED光源作為研究光源外，也偶有研究人員用復(fù)合光LED作為研究光源，如用紅藍LED光源[32，33]或藍白LED光源[34，35]處理西蘭花。也有研究人員從光對果蔬采后基因表達的角度進行研究[36，37]。但主要是從以下幾個方面進行研究：①不同光照強度對果蔬采后保鮮的影響[38，39]；②不同光質(zhì)對果蔬采后保鮮的影響[40，41]；③光配比對果蔬采后保鮮的影響[42-44]；④光照對果蔬采后霉菌及病變的影響[45]；⑤同一光質(zhì)對不同果蔬采后保鮮的影響[46]。而被選為研究對象的果蔬一般為西蘭花、番茄、蘆筍等，極其有限。研究的光質(zhì)較集中在紫外光、藍光和紅光，關(guān)于近紅外、黃光和橙光LED對果蔬采后保鮮作用的研究罕見報道。而關(guān)于光照對果蔬保鮮效果評判主要是從色澤、硬度、氣味、霉菌、呼吸代謝、營養(yǎng)物質(zhì)和酶活性等進行評估。其中紫外光及藍紫光對采后果蔬的色澤、氣味和霉菌病變影響較顯著；紅藍光對采后果蔬的營養(yǎng)物質(zhì)、硬度、呼吸代謝及酶活性等的影響較顯著；綠光對果蔬的保鮮作用則具有爭議。

4 研究中存在的一些問題

在查閱近年來研究人員發(fā)表的相關(guān)文章時，不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于光照對果蔬采后保鮮的作用機理還沒有明確的定論，且有些研究結(jié)果并不一致。究其原因，有如下幾點：①用以人眼光度學(xué)為理論依據(jù)的相關(guān)儀器測試植物光照中的光參數(shù)，如李汴生等[18]在研究不同單色LED對低溫貯藏西蘭花的保鮮作用時，采用深圳某公司生產(chǎn)的HT-1301 照度儀測試光參數(shù)，但此款儀器并不適應(yīng)于植物光照的光參數(shù)測試，市面上已有多款植物光照測試儀，如杭州某公司生產(chǎn)的植物照明專用分析儀PLA20和臺灣某公司生產(chǎn)的植物生長燈光譜儀ALP-01；②將光配比理解為不同顏色的LED光源數(shù)比，如伍新玲等[32]在研究LED紅藍復(fù)合光間歇照射對西蘭花貯藏品質(zhì)的影響時，以紅藍光燈珠數(shù)比值(紅藍光燈珠比為29∶4)為光配比值，這不科學(xué)，因為光配比指的是各特定波長范圍的光的光量子數(shù)之比或輻射功率之比；③缺乏專業(yè)先進的分析儀器。

5 未來的研究方向及方案

LED光源應(yīng)用于果蔬采收后保鮮有較大優(yōu)勢，一是LED光譜無論從單色光譜還是復(fù)合光譜都可以得到實現(xiàn)；二是作為光源智能控制方面比較容易實現(xiàn)；三是整體光照系統(tǒng)的設(shè)計可以根據(jù)果蔬采收后放置的不同環(huán)境進行有針對性的設(shè)計?，F(xiàn)階段，研究人員多為采用單色光或紅藍復(fù)合光LED作為光源研究光照對果蔬采后保鮮的影響，且研究不夠深入全面。在未來的光照保鮮研究中，可從如下幾方面進行研究：①多種光質(zhì)復(fù)合的光照對果蔬保鮮作用機理及影響，即結(jié)合各種光質(zhì)對果蔬采后保鮮的不同作用，進行強強聯(lián)合，調(diào)試出適合果蔬保鮮的最優(yōu)光譜及最優(yōu)光參數(shù)；②將光照保鮮技術(shù)和其他的保鮮技術(shù)相結(jié)合進行研究，如與化學(xué)保鮮技術(shù)和其他物理保鮮技術(shù)相結(jié)合，可以實現(xiàn)效果互補；③光照對果蔬采后農(nóng)藥等有害物質(zhì)降解的影響。

想要深入地研究光照對果蔬采后保鮮的影響，需要有完善的實驗方案，對光源設(shè)備、測試儀器也有較高的要求。光源設(shè)備最好能實現(xiàn)光強可調(diào)和光譜可調(diào)，這需要用到智能控制技術(shù)，會為研究帶來更多的方便；測試儀器則需要用專用的測試儀器，特別是對植物光度量參數(shù)的測量，對保鮮效果的評估也要用科學(xué)的方法，方案簡圖如圖1所示。

圖1 方案簡圖Fig.1 Schematic diagram

6 結(jié)語

本文總結(jié)了國內(nèi)外對不同光質(zhì)的半導(dǎo)體光源作用于果蔬采后保鮮的研究情況，指出了研究中存在的一些問題，介紹了植物光度學(xué)和人眼光度學(xué)的相關(guān)知識。與傳統(tǒng)光源相比，LED照明光源有體積小、綠色環(huán)保、節(jié)能和單色性好等優(yōu)點，LED保鮮光源可以廣泛應(yīng)用于電冰箱、果蔬貯藏冷庫、果蔬運輸工具之中，并可與其他保鮮技術(shù)和智能控制技術(shù)相結(jié)合。隨著對半導(dǎo)體照明應(yīng)用于果蔬保鮮的研究的深入，半導(dǎo)體照明將會給果蔬采后保鮮技術(shù)的發(fā)展帶來更廣闊的空間。