植物工厂模式下LED 光质对水培韭菜生长、风味及品质的影响

李伟，佟静，武占会，刘宁，王宝驹，季延海，王丽萍

(1. 河北工程大学园林与生态工程学院，河北 邯郸 056038；2. 北京市农林科学院蔬菜研究所，北京 100097；3. 农业农村部华北都市农业重点实验室，北京 100097)

LED 灯作为人工补充光源，其电光的转化效率高，发光效率在80 ～180 lm/W 之间，大大节约成本[1]。 随着LED 灯的发展、普及与不断的更新换代，其逐渐在植物工厂中开始使用，实现了植物多层多架多时段种植，这不仅能提高植物工厂内的空间利用效率，还能增大不同颜色光质在生产中的利用效率[2]。 不同植物的不同生长时期对光质敏感程度不尽相同，白光作为一种混合光源，虽能满足植物对光源的要求，但会造成资源浪费。

光质是光的重要属性，植物的生长和品质直接受到光质的影响[3-4]。 植物体内存在着光敏色素、隐花色素以及紫外光-B 受体三种类型的感光受体，分别感应600 ～800 nm 红光、320 ～500 nm蓝紫光及280～320 nm 紫外光[5]。 红光可以促进植物的营养生长，增大叶面积，提高株高、植株生物量以及光化学效率，同样对茎生长也具有正向调控作用，它通过调控体内激素IAA 含量实现[6-8]。 蓝光可以影响植物光形态的建成，也可以提高植物的营养品质[9]。 绿光不仅能刺激较低冠层的光能利用效率，还能延缓叶片衰老[10]。绿光的加入提高了甜椒的果实重以及干物质含量[11]。 有研究表明经过绿光处理的植株，生长速率和生物量得到提高，但光强过大则会抑制生长[12]。

韭菜(Allium tuberosumRottl. ex Spr.)为百合科葱属多年生草本宿根植物，因其独特的风味品质广受大众欢迎。 S-烃基半胱氨酸亚砜[S-alk(en)yl cysteine sulfoxide，CSOs]是葱属植物中含硫的天然产物[13]，是形成韭菜风味品质的主要成分之一[14-15]。 跟土培相比，水培韭菜茬次频率较快、生长期短，CSOs 表达不充分，造成韭菜风味品质下降。

CSOs 主要存在于葱属蔬菜植物中，但不同种类蔬菜中的CSOs 种类也不同，主要有四种类型，分别为S-烯丙基-L-半胱氨酸亚砜(ACSO)、S-甲基-半胱氨酸亚砜(MCSO)、S-丙基-半胱氨酸亚砜(PCSO)、S-1-丙烯基-L-半胱氨酸亚砜(PeCSO)。 ACSO 存在于大蒜，MCSO 存在于葱属和芸薹属，PCSO 和PeCSO 存在于洋葱[16]。 当植物受到损伤时，CSOs 与蒜氨酸酶(alliinase)等一系列酶反应生成丙酮酸盐、氨和含硫化合物，后者会分解成易挥发、有气味的风味物质[17]。

前人在洋葱风味的研究上表明，洋葱风味与辛辣性息息相关，丙酮酸含量决定了洋葱的辛辣性，而葱属植株中有机硫化物的合成和丙酮酸含量80%以上取决于遗传因素，其余部分受到外界环境影响[18]。 为此，本试验以白光为对照，设置红光、蓝光、绿光3 种光质处理，研究不同LED 光质对水培韭菜生长、品质以及风味指标的影响，以期为植物工厂条件下高效率、高品质、低成本生产韭菜提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2022 年3 月9 日至4 月12 日在北京市农林科学院蔬菜研究所的人工光植物工厂中进行。 供试韭菜品种为‘791’，播种时间为2021 年7 月20 日，定植时间为2021 年10 月20 日。 供试营养液由北京市农林科学院蔬菜研究所专门研发的肥料添加蒸馏水配制而成。

1.2 试验设计与管理

本试验所用营养液浓度统一控制在EC 为(2.5±0.2) mS/cm、pH 值为6.0±0.2。 光照采用LED 植物生长灯供给，灯管与韭菜距离控制在25 cm 左右。 试验设置4 种光质处理，即白光、红光、蓝光、绿光，光照强度均为200 μmol/(m2·s)，光周期设置为12 h(光)/12 h(暗)。

2022 年3 月9 日选取没有产生分蘖且生长一致的单株韭菜割去前茬后移栽至水培架上，采用液培法种植。 植物工厂内，温度为20 ℃，CO2浓度为1 680 μmol/mol，相对湿度为60%。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标调查 采用直尺测量株高、叶长、叶宽，采用游标卡尺测量假茎粗，记录叶片数。韭菜鲜重和干重采用电子天平称重。 鲜韭菜称重后放进烘箱，105 ℃杀青后75 ℃烘干至恒重，干燥冷却后称干重。 每处理重复3 次，每次5 株韭菜。

1.3.2 叶片荧光参数测定 将整株韭菜进行暗处理30 min，利用Fluor Cam 叶绿素荧光成像系统测定韭菜叶片最大荧光(Fm)、可变荧光(Fv)、初始荧光(Fo)，然后在作用光强400 μmol/(m2·s)下测定初始荧光(Fo＇)、可变荧光(Fv＇)、稳态荧光(Fs)、最大荧光(Fm＇)等参数。 利用相应计算公式算出暗适应下最大光化学效率(Fv/Fm)、光适应下实际光化学效率(ФPSⅡ)、光化学猝灭系数(qP)、光系统Ⅱ的潜在活性(Fv/Fo)。

1.3.3 生理与营养品质指标测定 用乙醇浸提比色法测定叶片光合色素含量；用2，6-二氯酚靛酚比色法测定VC 含量；用考马斯亮蓝比色法测定可溶性蛋白含量；用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；用60% H2SO4消化-蒽酮比色法测定纤维素含量；用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定根系活力；用硝基水杨酸法测定硝态氮含量；用紫外分光光度法测定类黄酮和总酚含量[19-22]。

1.3.4 韭菜辛辣度测定 利用洋葱辛辣度的检测方法对韭菜的辛辣度进行分析，其辛辣度通过测定CSOs 水解后酶促丙酮酸含量来表示[23]。 每处理取5～8 株长势一致的韭菜，去掉叶尖及茎保留中间部位，并切成3 ～5 mm 小段。 每处理分为背景组和反应组，每组重复3 次，每重复取0.200 g 韭菜放入EP 管中，之后背景组加入5% TCA 磷酸缓冲液(pH 6.5)1.5 mL，反应组加入蒸馏水1.5 mL。 采用高通量植物匀浆提取仪研磨成匀浆，用台式冷冻离心机在10 000 r/min、25 ℃条件下离心5 min。 将离心后的各处理上清液稀释5 倍。背景组和反应组分别按比例加入稀释后的韭菜组织上清液、0.0125% 2，4-二硝基苯肼溶液、0.6 mol/L NaOH(3∶1∶5)，室温下反应5 min。 用Bio Tek 酶标仪在波长520 nm 处进行吸光值测定。将丙酮酸钠溶液进行梯度稀释，绘制标准曲线，用于计算韭菜叶片的酶促丙酮酸含量，间接测定其辛辣度。 为确定韭菜生长期间不同光质下韭菜酶促丙酮酸含量的变化趋势，于处理7 天后每3 天进行一次酶促丙酮酸含量测定，共测定10 次。

1.3.5 产量调查 参考文献[24]的方法进行产量调查。 产量(kg/hm2)＝(单个营养液栽培格盘收获韭菜重×10 000)/格盘面积(0.11505 m2)。

1.3.6 风味检测 利用PEN3 电子鼻进行韭菜风味品质测定。 采用顶空吸空气法检测，将5 g 韭菜磨成匀浆并用25 mL 蒸馏水冲洗进50 mL 烧杯中用封口膜封口，放置10 min，将取样针头插入密封烧杯的顶部吸取气体样品。 检测条件:传感器冲洗时间为100 s，归零时间以及样品准备时间为5 s，进样流量为300 mL/min，样品测定时间为150 s。 将传感器响应曲线中第100 s 的平均值作为特征稳定值用于后续建模。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 进行数据处理和作图，采用SPSS 25.0 软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同LED 光质对水培韭菜生长指标的影响

由图1 可知，蓝光处理韭菜长势被抑制，没有出现分蘖现象，地下部长势优于其他处理，更利于硫素的转化积累和提高韭菜辛辣度。

图1 不同LED 光质下水培韭菜形态

由表1 可以看出，株高、叶长以绿光处理最大，与白光处理相比分别显著增加51.4%和40.4%；但绿光处理韭菜茎过度伸长，假茎变细，叶片数减少，韭菜纤弱易倒伏，且产量只有21 137.48 kg/hm2，较白光处理显著降低26.8%。红光在提高叶宽和产量方面具有显著促进作用，与白光相比，分别提高17.0%和31.6%；红光处理产量最高，为38 028.59 kg/hm2，说明红光可以显著提高韭菜产量。 与白光相比，蓝光显著抑制韭菜的叶长、假茎粗和叶片数。 白光处理下，韭菜假茎粗和叶片数达到最大值，分别为13.66 mm 和10.33片，显著高于红光、蓝光以及绿光处理的韭菜，说明二者可能受到多种光质的调控。

表1 不同LED 光质对水培韭菜生长及产量的影响

由表2 可知，韭菜地上部鲜重红光处理下最大，为73.73 g，最低值出现在绿光处理，为31.83 g，因其地上部徒长而茎秆纤弱。 与白光相比，红光、蓝光、绿光抑制韭菜干物质积累，地上部干重分别下降19.5%、9.3%、72.6%。 植株地上部含水率在绿光处理下达到最大值，为95.1%。 4种光质处理地下部鲜重表现为白光＞红光＞蓝光＞绿光，地下部干重表现为蓝光＞白光＞红光＞绿光，说明蓝光促进地下部干物质积累。

表2 不同LED 光质对水培韭菜生长指标的影响

2.2 不同LED 光质对水培韭菜荧光指标的影响

Fv/Fo 常被用来衡量植株叶片中PSⅡ原初光能转化效率以及潜在的活性；ФPSⅡ常被用作衡量叶片中光合电子传递快慢的指标；qP 为光化学淬灭系数，反映PSⅡ中原初电子QA 的还原状态，qP 值越大PSⅡ中的电子传递活性越大。 由表3 可知，Fv/Fm、Fv/Fo 的变化趋势相同，均为蓝光＞绿光＞白光＞红光，蓝光处理达到最大值，分别为0.794、3.85；绿光处理qP 达到最大值，为0.829；红光处理ФPSⅡ达到最大值，为0.622。

2.3 不同LED 光质对水培韭菜叶绿素含量的影响

由表4 可知，与白光相比，红光、蓝光、绿光都抑制韭菜叶绿素的合成，并且绿光的抑制效果更显著。 叶绿素a、叶绿素a+b含量均为白光＞蓝光＞红光＞绿光，叶绿素b 含量为白光＞红光＞蓝光＞绿光。 说明韭菜叶绿素对单一光源敏感程度不同，受到多种光质共同影响。

表4 不同LED 光质对水培韭菜叶绿素含量的影响

2.4 不同LED 光质对水培韭菜营养品质的影响

由表5 可知，VC 含量表现为蓝光＞白光＞红光＞绿光，说明红光和绿光抑制韭菜VC 的生成，而蓝光有利于韭菜VC 的生成，VC 含量最大值为389.85 mg/kg。 韭菜可溶性糖含量各处理间没有显著差异，含量在2.13%～2.17%。 经过蓝光处理的韭菜可溶性蛋白含量最高，为6.34 mg/g，红光、绿光处理韭菜的可溶性蛋白含量都有不同程度的降低，较白光处理分别降低2.9%、29.0%。 经过单色光处理的韭菜酶促丙酮酸含量都有不同程度的提高，红光、蓝光、绿光处理之间差异不显著。硝态氮含量表现为红光＞白光＞绿光＞蓝光，最低值为5 100.16 mg/kg，与白光相比降低34.6%。说明适当的蓝光可以降低韭菜的硝态氮含量，提高韭菜营养品质。

表5 不同LED 光质对水培韭菜营养品质的影响

由图2 可知，白光处理韭菜的纤维素含量最高，表现为白光＞红光＞绿光＞蓝光；红光处理韭菜的总酚含量和类黄酮含量最高，总酚含量表现为红光＞白光＞蓝光＞绿光，类黄酮含量表现为红光＞蓝光＞白光＞绿光。 总酚和类黄酮含量最大值分别为7.33 mg/g 和126.1 mg/kg，较白光处理分别提高28.6%和40.9%；蓝光处理的韭菜纤维素含量最少，较白光处理降低50.1%。 红光处理韭菜的根系活力最大，为734.57 μg/(g·h)，较白光处理提高9.2%；与白光相比，蓝光、绿光处理降低韭菜的根系活力，继而降低韭菜从营养液中吸收营养物质的效率。

图2 不同LED 光质对水培韭菜营养品质的影响

2.5 不同LED 光质对水培韭菜酶促丙酮酸含量的影响

从图3 可以看出，LED 光质处理第10 天时韭菜酶促丙酮酸含量出现峰值，以绿光处理最大，含量为10.66 μmol/g；第34 天时白光处理韭菜酶促丙酮酸含量最低，为5.62 μmol/g。 韭菜生长初期至收获期，红光、蓝光、绿光处理下韭菜体内酶促丙酮酸含量总体高于白光处理，韭菜生长期内酶促丙酮酸含量大致呈下降趋势。 从韭菜风味考虑，可以将韭菜收获期提前。

图3 不同LED 光质处理的水培韭菜酶促丙酮酸含量变化趋势

2.6 不同LED 光质对水培韭菜风味成分的影响

表6 为电子鼻仪器测定的10 种风味指标。图4 为韭菜样品在电子鼻中的检测信号图，即电子鼻对韭菜样品敏感物质的响应曲线，根据10 个电子鼻传感器检测到的10 种风味物质的相对电导率数值绘制。 其中，G0 为传感器通入空气时的初始电导率，G 为检测到韭菜样品中挥发性物质时的电导率，G/G0 代表传感器的相对电导率。电子鼻检测到的气体浓度越大，其响应就越高。

表6 PEN3 电子鼻传感器敏感物质

图4 电子鼻对韭菜样品敏感物质的响应曲线

图5 为利用100 s 时电子鼻中趋于稳定的相对电导率绘制的4 个处理10 种风味物质的柱形图。 其中氮氧化物(W5S)、硫化合物(W1W)、芳烃化合物和硫的有机化合物(W2W)是判断韭菜风味的关键指标。 可知，W5S、W1W、W2W 均以蓝光处理最佳，相对电导率分别为4.31、12.67、3.19，较白光分别提高4.9%、16.6%、9.2%，红光和绿光处理的相对电导率都低于白光。 说明韭菜的特征风味可以因光质的变化而改变，并以蓝光处理最佳。

图5 100 s 时电子鼻对韭菜样品敏感物质的响应

3 讨论

3.1 不同LED 光质对水培韭菜生长及叶绿素荧光指标的影响

植株的生长发育、形态建成以及根系生长均受到光质的直接影响[25]。 本研究表明，红光处理提高韭菜植株地上部干物质积累，增加叶片宽度，提高产量；蓝光对株高、叶长起抑制作用，植株矮化，其原因可能是蓝光处理使韭菜体内的吲哚乙酸氧化酶活性受到抑制进而影响韭菜长势；绿光处理显著增加韭菜茎部长度而徒长，长势弱易倒伏，这与姜宗庆[26]在香椿芽苗菜、刘慧莲等[27]在番茄幼苗上的研究结果一致。 韭菜产量受到地上部鲜重、株高、叶长、茎粗、叶片数等生长指标的影响，红光促进韭菜地上部干物质积累，产量也随干物质量的上升而增加。

本研究表明，与白光相比，红光、蓝光对韭菜叶片的叶绿素a、叶绿素b 含量均有显著抑制作用，这与前人在蕹菜上的研究结果一致[28]。 绿光处理韭菜体内叶绿素含量显著低于白光处理，这可能是由于绿光光谱中600 ～800 nm 和320 ～500 nm 两个吸收区的光量较低，不利于叶绿素的形成。 本试验中，绿光处理提高韭菜的qP 值，红光和蓝光处理降低qP 值且蓝光的抑制更加显著，这与吴艳等[29]在珙桐上的研究结果一致。 这是因为绿光能透过植株上层叶片激发低冠层叶片的光合能力，促进低冠层叶片的光合作用。 韭菜的Fv/Fm、Fv/Fo 红光处理时下降、蓝光处理时上升，这可能是因为PSⅡ受到蓝光的激发后叶片的潜在活力增大。 不同光质处理间ФPSⅡ值差异不显著，但以红光处理最大，显示韭菜叶片的ФPSⅡ受到光质的轻微调控，这跟红桔、木荷、杉木幼苗[30-31]上的研究结果一致。

3.2 不同LED 光质对水培韭菜营养品质指标的影响

植物的次生代谢物VC、总酚和类黄酮具有较强的抗氧化能力，其含量受到光质的调控，是植物中重要的生物活性物质[32]。 由本试验结果可知，蓝光处理韭菜VC 含量显著高于白光处理，可能是由于蓝光提高韭菜体内的半乳糖内酯脱氢酶活性，继而促进韭菜VC 合成，这与发芽大豆[33]、萝卜芽苗菜[34]上的研究结果一致，与芹菜[35]上的研究结果不同，这可能与作物品种特性相关。 红光处理使总酚和类黄酮含量显著增加，这是因为红光处理提高了韭菜的抗氧化能力，进而提高二者的含量；而绿光使类黄酮合成受阻，这是因为绿光处理下韭菜的抗氧化能力受到抑制；蓝光下韭菜类黄酮和总酚含量下降，这与前人的研究结果一致[36]。

本试验中，蓝光下韭菜硝态氮含量显著低于白光、红光以及绿光处理。 有研究表明，硝酸还原酶活性极易受到光质的影响[37]，推测蓝光处理下硝酸还原酶活性高于白光、红光及绿色处理，从而降低植株体内的硝态氮含量。

植株的光合作用受到光质的直接影响，继而影响叶片的光合产物转运到根系，间接影响植株根系的生长和活力[38]。 本试验结果表明，韭菜根系活力在红光处理下显著提高，蓝光、绿光处理显著下降，这与陈娴[39]的研究结果一致。

从本研究结果可以看出，随着白光、红光、蓝光、绿光处理时间延长，韭菜酶促丙酮酸含量在其生长期间波动变化，但总体呈降低趋势，说明韭菜的辛辣性有降低趋势。 造成酶促丙酮酸含量呈波动变化的原因可能是韭菜生长和品质指标建成之间相互转化，表现为:处理10～13 d 间韭菜长势较快，酶促丙酮酸含量下降也较快，造成体内CSOs含量表达不足，韭菜辛辣性减小；10 ～34 d 间，绿光处理下酶促丙酮酸含量从10.66 μmol/g 降至7.28 μmol/g，这和其他处理差异明显，其原因可能是绿光造成韭菜徒长且后期养分积累受阻，进而造成辛辣性降幅增大。

电子鼻系统检测中，W5S(氮氧化物)、W1W(硫化合物)、W2W(芳烃化合物和硫的有机化合物)为韭菜的特征性风味物质[40]。 本研究结果表明蓝光处理提高韭菜中W5S、W1W、W2W 等关键风味物质含量。 有研究表明，红光促进草莓果实中相关基因的表达，提高草莓香气的组成与扩散，并提高草莓果实中烷烃、 醛类以及酸类物质[41-42]；而在本研究中红光抑制韭菜特征性风味物质合成，这与前人的研究结果不一致，造成这样的结果可能跟物种有关。 烷类(W1S)相对电导率的大小可以反映植株成熟度，值越高，植株的成熟度越高[43]。 经过光的诱导，4 个处理韭菜中W1S 的相对电导率明显高于韭菜的特征性风味指标，造成这样的原因可能是光质促进烷类在植株体内的合成，但红光、蓝光以及绿光处理韭菜中W1S 的提升量低于白光处理，说明白光处理韭菜的成熟度大于其他单色光质处理，单色光质处理可以延长韭菜的种植时间。

4 结论

本试验采用液培无土栽培方式在植物工厂中进行，设置光照强度为200 μmol/(m2·s)的白光、红光、蓝光及绿光处理，研究不同颜色光质对韭菜生长、产量、辛辣性、总酚、类黄酮含量以及风味成分的影响。 结果显示，红光对韭菜株高、叶长、叶宽、假茎粗和产量有促进作用，并增大地上地下部鲜重；红光处理下韭菜总酚、类黄酮含量最高，可溶性蛋白、酶促丙酮酸含量较高，纤维素含量显著低于白光处理，但硝态氮含量最高。 蓝光处理下韭菜生长健壮，产量较高，可溶性蛋白、酶促丙酮酸、VC 含量最高，总酚、类黄酮含量较高，纤维素、硝态氮含量最少。 综合分析，韭菜生产上，建议使用蓝光进行处理，以实现较高产量、最优品质及风味的有机结合。