靳肖林，文尚勝,2，付 萌，侯一曼，蔡明興

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學(xué)發(fā)光材料與器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640)

引言

植物工廠極大地提高了作物質(zhì)量和產(chǎn)率[1,2]，其中光環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中生理活動(dòng)的調(diào)節(jié)起著巨大作用[3]。LED的光譜可動(dòng)態(tài)控制，加之其高光能利用率，低能耗，長(zhǎng)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(jì)價(jià)值的花卉，但是玫瑰鮮花花期短[7]，而光照處理對(duì)果蔬采后生理變化有顯著影響，通過(guò)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(shè)計(jì)的光譜可調(diào)LED植物燈用于玫瑰花保鮮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)PWM調(diào)光調(diào)節(jié)RGB LED的光譜組成，探究光質(zhì)和光照周期對(duì)切花玫瑰采后失水率、抗氧化物質(zhì)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L(zhǎng)ED光源在蔬果保鮮和花卉栽培領(lǐng)域的應(yīng)用提供相應(yīng)的科學(xué)參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)供試材料處理。實(shí)驗(yàn)用紅色玫瑰花品種“超大號(hào)”，釆自于廣州市嶺南花卉市場(chǎng)，采購(gòu)時(shí)選取大小均勻、成熟度一致、花苞緊實(shí)的切花玫瑰(圖1)。采購(gòu)的玫瑰花在2 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

切花玫瑰的處理：摘掉保護(hù)網(wǎng)，去除玫瑰花刺、葉片以及殘損的花瓣，以避免與變量無(wú)關(guān)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖1 實(shí)驗(yàn)用鮮切玫瑰花Fig.1 Fresh cut roses for experiments

2)保鮮實(shí)驗(yàn)光環(huán)境設(shè)計(jì)。根據(jù)光子生物學(xué)的理論知識(shí)，從光質(zhì)比、光周期、光量子通量密度(PPFD)三個(gè)方面對(duì)光源參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。實(shí)驗(yàn)中使用的LED光源為設(shè)計(jì)的光譜可調(diào)LED燈具，通過(guò)PWM調(diào)光模塊對(duì)光譜進(jìn)行調(diào)控，使得四個(gè)實(shí)驗(yàn)組紅光(R)、綠光(G)、藍(lán)光(B)光質(zhì)比分別為A組：R+G+B，B組：G+B，C組：R+G，D組：G，對(duì)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(qiáng)為30～150 μmol·m-2·s-1(且僅在中午12：00—14：00才可能達(dá)到最大光強(qiáng))。各組光源的光譜如圖2所示。實(shí)驗(yàn)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(nèi)再設(shè)置三組光照周期分別為6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h的實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25 ℃±1 ℃，相對(duì)濕度控制在65%±1%。將玫瑰花置于A、B、C、D四組光質(zhì)不同的光環(huán)境及對(duì)照組下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由遠(yuǎn)方SPIC-200B光譜彩色照度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

圖2 實(shí)驗(yàn)組光譜圖Fig.2 Spectra of experimental groups

2 玫瑰保鮮實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定測(cè)定

實(shí)驗(yàn)每次測(cè)定重復(fù)3次，每個(gè)指標(biāo)每次測(cè)定取各組的三朵鮮切玫瑰花。

1)失重率測(cè)定。每天早上8點(diǎn)用電子天平稱(chēng)每個(gè)實(shí)驗(yàn)組切花玫瑰(6朵)的鮮重M,14:00稱(chēng)A～D組光照周期為6 h實(shí)驗(yàn)組玫瑰花(6朵)的鮮重m1,17:00稱(chēng)A～D組光照周期為9 h實(shí)驗(yàn)組玫瑰花(6朵)的鮮重m2，20:00稱(chēng)A～D組光照周期為12 h實(shí)驗(yàn)組玫瑰花(6朵)的鮮重m3，實(shí)驗(yàn)組玫瑰花日失重率w1由公式(1)計(jì)算。

(1)

2)多酚的測(cè)定。在6天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)玫瑰花內(nèi)部多酚總含量進(jìn)行測(cè)定。

新鮮花朵取其花瓣，用電子天平準(zhǔn)確稱(chēng)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(zhì)，迅速冷卻，常溫(25 ℃)離心10 min，取上清液(花卉粗提液)作為待測(cè)試樣。

測(cè)定方法:吸取l ml待測(cè)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(zhǎng)下測(cè)定吸光度(A),重復(fù)3次，根據(jù)公式(2)計(jì)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(zhì)量；7.826是按上述操作條件,當(dāng)吸光值等于1.0時(shí),每毫升玫瑰花提取液中多酚類(lèi)物質(zhì)的毫克數(shù)。

3)類(lèi)黃酮的測(cè)定。在6天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)玫瑰花內(nèi)部類(lèi)黃酮總含量進(jìn)行測(cè)定。

玫瑰花在40 ℃條件下干燥4 h后粉碎，用精密儀器精確稱(chēng)量2g玫瑰花和過(guò)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(guò)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(lèi)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(guān)系的黃酮鋁鹽絡(luò)合物。以蘆丁標(biāo)準(zhǔn)曲線為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提取液與鋁鹽作用產(chǎn)物的吸光度進(jìn)行測(cè)定，采用紫外分光光度法測(cè)定總黃酮的含量[13]。吸取1 ml提取液于25 ml比色管中，測(cè)定吸光度A，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(cè)定。在6天實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)玫瑰花內(nèi)部花色苷總含量進(jìn)行測(cè)定。

采用經(jīng)典的pH示差法對(duì)切花玫瑰花色苷含量進(jìn)行測(cè)定。測(cè)得的總花色苷含量用矢車(chē)菊花色苷元-3-葡萄糖苷含量表示。在200～700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)掃描,得到花色苷在此波段的最大吸收波長(zhǎng)，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(zhǎng)處測(cè)定二者的吸光度。用700 nm處吸光度來(lái)作為模糊度的校正[14]，花色苷含量計(jì)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(chē)菊-3-葡萄糖苷計(jì))=花色苷分子量(449.2)；DF為稀釋倍數(shù)；ε(以矢車(chē)菊-3-葡萄糖苷計(jì))=摩爾消光系數(shù)(29600)；s為光程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光質(zhì)與光照周期對(duì)切花玫瑰采后失重率的影響

由植物生理學(xué)基礎(chǔ)可知，切花玫瑰在離開(kāi)母體后仍進(jìn)行正常的水分代謝、呼吸代謝，且糖分和蛋白質(zhì)含量均有變化，消耗自身儲(chǔ)備的有機(jī)物和水分必將會(huì)導(dǎo)致玫瑰花的重量減少，從而引發(fā)失重(見(jiàn)圖3)。

圖3 不同光質(zhì)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(shí)，前三天自然光對(duì)照組失重率最高，后三天自然光組失重率增長(zhǎng)速度明顯減慢，與此同時(shí)(R+G+B)組失重率增長(zhǎng)迅速，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)各實(shí)驗(yàn)組失重率關(guān)系為：(R+G+B)>自然光對(duì)照組>G>(B+G)>(R+G)>(R+B)control。實(shí)驗(yàn)前對(duì)玫瑰花處理，摘掉了其葉片，排除了采后光合作用的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅藍(lán)光對(duì)照組失重率最低，我們猜測(cè)這種光質(zhì)可能對(duì)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(jī)物?；蛘哌@種光質(zhì)對(duì)玫瑰花體內(nèi)其他生理活動(dòng)有促進(jìn)作用，提高了玫瑰花內(nèi)部有機(jī)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(duì)植物開(kāi)花影響作用最大，并且可以提高可溶性糖含量。藍(lán)光可以提高蛋白質(zhì)含量，有利于蒽醌類(lèi)次生代謝物的積累。紅藍(lán)混合光下明顯促進(jìn)蘭花的生物量的增加和生長(zhǎng)。據(jù)此，紅藍(lán)光對(duì)照組失重率低的原因可能是這種光質(zhì)組合促進(jìn)了玫瑰花內(nèi)可溶性糖和蛋白質(zhì)的積累；紅綠光處理組紅光對(duì)生物量的積累作用顯著，可能原因是紅光對(duì)物質(zhì)積累的促進(jìn)作用抵消了綠光對(duì)失重率的影響，此組實(shí)驗(yàn)組失重率仍較低。(G+B)光和G光處理略高，因?yàn)榫G光對(duì)生物量積累作用不顯著，且藍(lán)光對(duì)積累有機(jī)物的作用不如紅光明顯。由(G+B)、(R+G)對(duì)比可看出紅光比藍(lán)光保持鮮重的效果更好，因?yàn)樗{(lán)光在促進(jìn)蛋白質(zhì)含量上升的同時(shí)也促進(jìn)氣孔開(kāi)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(lán)光實(shí)驗(yàn)組和自然光對(duì)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(lán)光，還包括了其他波長(zhǎng)光，因此其對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(guò)9 h組。總體來(lái)說(shuō)，光照周期增長(zhǎng)，失重率升高，這可能是因?yàn)楣馓幚泶龠M(jìn)玫瑰花生理活動(dòng)積累的有機(jī)物不能抵消長(zhǎng)時(shí)間光照時(shí)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(zhì)與光照周期對(duì)切花玫瑰多酚含量的影響

植物多酚的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是玫瑰花體內(nèi)重要的抗氧化劑，對(duì)氧自由基有清除能力。對(duì)A、B、C、D組內(nèi)的三個(gè)樣品多酚含量取平均值，計(jì)算其相對(duì)于自然光對(duì)照組多酚含量的增長(zhǎng)比D，如公式(5)所示。數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

(5)

四種光質(zhì)處理均不同程度地促進(jìn)了多酚含量的上升，使實(shí)驗(yàn)組玫瑰花的多酚含量顯著高于對(duì)照組水平。光照周期為6 h的實(shí)驗(yàn)組中，C(紅+綠)組多酚含量增長(zhǎng)最為顯著，高于100%，A(紅+綠+藍(lán))組次之，B、D組樣品的多酚含量增長(zhǎng)不是很顯著。光照周期為9 h的實(shí)驗(yàn)組中，A、B組樣品多酚含量增長(zhǎng)比均超過(guò)了100%，C、D組次之。光照周期為12 h的實(shí)驗(yàn)組中，四組實(shí)驗(yàn)組的增長(zhǎng)比均相對(duì)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(zhì)對(duì)多酚含量幾乎沒(méi)有影響。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，A組(紅+綠+藍(lán))光質(zhì)、C組(紅+綠)光質(zhì)對(duì)促進(jìn)多酚含量增長(zhǎng)作用更為顯著。D組單一綠光光質(zhì)對(duì)促進(jìn)多酚含量作用不明顯。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)組相比于對(duì)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(zhì)與光照周期對(duì)切花玫瑰采后類(lèi)黃酮含量的影響

類(lèi)黃酮屬于酚類(lèi)，是天然的抗氧化劑。花黃素類(lèi)黃酮、黃酮醇及其衍生物統(tǒng)稱(chēng)花黃素類(lèi)，是廣泛分布于植物組織細(xì)胞中的一類(lèi)水溶性色素。

對(duì)A、B、C、D組內(nèi)的三個(gè)樣品類(lèi)黃酮含量取平均值，計(jì)算其相對(duì)于自然光對(duì)照組多酚含量的增長(zhǎng)比，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同實(shí)驗(yàn)組鮮切玫瑰類(lèi)黃酮含量Fig.6 The content of flavonoids in different fresh cut roses experimental groups

B、D實(shí)驗(yàn)組中，隨光照時(shí)長(zhǎng)增加，類(lèi)黃酮含量的增長(zhǎng)比先升再降；與此同時(shí)，A、C組的類(lèi)黃酮的增長(zhǎng)比一直減小。說(shuō)明并不是光照周期越長(zhǎng)，玫瑰花內(nèi)部抗氧化劑類(lèi)黃酮的含量越多，過(guò)長(zhǎng)的光照周期反而不利于類(lèi)黃酮含量的積累。6 h和9 h是較適宜類(lèi)黃酮類(lèi)物質(zhì)合成的光照時(shí)長(zhǎng)。

除了D單一綠光光質(zhì)，光照時(shí)長(zhǎng)為12 h組外，四種光質(zhì)處理均不同程度地促進(jìn)了類(lèi)黃酮含量的上升，使其顯著的高于對(duì)照組水平。光照周期為6 h的實(shí)驗(yàn)組中，C(紅+綠)組類(lèi)黃酮含量增長(zhǎng)最為顯著，超過(guò)100%，A(紅+綠+藍(lán))組次之，B、D組樣品的類(lèi)黃酮含量增長(zhǎng)不是很顯著；光照周期為9 h的實(shí)驗(yàn)組中，A、B組樣品類(lèi)黃酮含量增長(zhǎng)較為顯著，C、D組幾乎一樣；光照周期為12 h的實(shí)驗(yàn)組中，四組實(shí)驗(yàn)組的增長(zhǎng)比均相對(duì)9 h組顯著下降，A、B組增長(zhǎng)比相近，約為20%；而C組增長(zhǎng)比甚至為負(fù)值，說(shuō)明光照周期相同的條件下，本組樣品中類(lèi)黃酮含量比對(duì)照組稍低。而D組單一綠光光質(zhì)對(duì)類(lèi)黃酮含量幾乎沒(méi)有影響。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，A組(紅+綠+藍(lán))光質(zhì)、C組(紅+綠)光質(zhì)光照6 h對(duì)促進(jìn)類(lèi)黃酮含量增長(zhǎng)作用更為顯著，B組(綠+藍(lán))光質(zhì)光照9 h對(duì)促進(jìn)類(lèi)黃酮含量增長(zhǎng)作用更為顯著。D組(單一綠光)光質(zhì)對(duì)促進(jìn)類(lèi)黃酮含量作用不明顯。

3.4 光質(zhì)與光照周期對(duì)切花玫瑰采后花色苷含量的影響

相關(guān)研究已證明，花色苷色素具有很強(qiáng)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(duì)光照周期為6 h和9 h的A、B、C、D組的三個(gè)樣品花色苷含量取平均值，計(jì)算其相對(duì)于自然光對(duì)照組花色苷含量的增長(zhǎng)比，由于光照12 h組花色苷含量太低而無(wú)法測(cè)量，只測(cè)得6 h和9 h組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組中，6 h處理組花色苷含量較低，隨光照時(shí)間增加到9 h，樣品花色苷含量相對(duì)于對(duì)照組的增長(zhǎng)比均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，(R+G+B)、(R+G)實(shí)驗(yàn)組中，6 h處理組花色苷含量較高，均高于100%，隨光照時(shí)間增加到9 h，樣品花色苷含量增長(zhǎng)比減小。

四種光質(zhì)處理均不同程度地促進(jìn)了花色苷含量的上升，使其顯著的高于對(duì)照組水平。紅+綠+藍(lán)光質(zhì)、紅+綠光質(zhì)光照6 h對(duì)促進(jìn)花色苷含量增長(zhǎng)作用更為顯著。綠+藍(lán)光質(zhì)、單一綠光光質(zhì)光照9 h對(duì)促進(jìn)類(lèi)黃酮含量增長(zhǎng)作用更為顯著。這與光質(zhì)對(duì)類(lèi)黃酮含量的影響結(jié)果相近。

4 結(jié)論

我們將設(shè)計(jì)的光譜可調(diào)LED植物燈用于玫瑰花保鮮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)PWM調(diào)光調(diào)節(jié)RGB LED的光譜組成，得到光質(zhì)比分別為(R+G+B)、(G+B)、(R+G)、G的實(shí)驗(yàn)組，并設(shè)置光照周期分別為6 h/24 h、9 h/24 h、12 h/24 h。通過(guò)測(cè)定不同光處理組玫瑰花采后日失重率以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后多酚、類(lèi)黃酮、花色苷三種抗氧化物質(zhì)的含量，探究最適合玫瑰花保鮮的光條件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從光照周期的影響來(lái)看，過(guò)長(zhǎng)的光照周期不利于玫瑰花鮮重保持，光質(zhì)相同的條件下，12 h/24 h組的失重率明顯高于其他光照時(shí)長(zhǎng)組，而抗氧化性物質(zhì)含量卻明顯低于其他實(shí)驗(yàn)組，不利于玫瑰保鮮。從光質(zhì)的影響來(lái)看，(R+G)在四組實(shí)驗(yàn)組中失重率最低，對(duì)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(zhì)和光照時(shí)長(zhǎng)是R+G+B(9 h/24 h)，有利于類(lèi)黃酮含量增加的最佳光質(zhì)和光照時(shí)長(zhǎng)是R+G(6 h/24 h)，有利于花色苷含量增加的最佳光質(zhì)和光照時(shí)長(zhǎng)是R+G(6 h/24 h)。綜合考慮以上因素，我們認(rèn)為R+G(6 h/24 h)是更有利于玫瑰花采后保鮮的光照條件。