李淋倍,林海濤,王 憶

(1.廣西糖資源綠色加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(mén) 529020)

引言

近年來(lái)隨著人們對(duì)食品安全意識(shí)的提高，半導(dǎo)體照明技術(shù)以其安全無(wú)毒害、無(wú)副產(chǎn)物殘留及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)這種物理保鮮技術(shù)的研究發(fā)展較為緩慢，對(duì)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(wèn)題[3，4]。一些果蔬專(zhuān)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(zhuān)業(yè)知識(shí)，在做研究時(shí)，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(shí)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(jiǎn)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(shí)際意義的研究數(shù)據(jù)。本文針對(duì)這些問(wèn)題給出了光對(duì)果蔬后保鮮的作用機(jī)理和理論解釋以及LED光源光學(xué)設(shè)計(jì)方案。

1 植物光度學(xué)和人眼光度學(xué)的相關(guān)知識(shí)

為了避免在研究和生活中出現(xiàn)以上提到的問(wèn)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(shí)。植物光度學(xué)參量是基于植物對(duì)光的敏感曲線(xiàn)來(lái)測(cè)量與評(píng)價(jià)對(duì)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(jué)函數(shù)來(lái)測(cè)量與評(píng)價(jià)人眼用光的光度學(xué)參量。植物對(duì)不同波長(zhǎng)的光的敏感度與人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的敏感度完全不同。人眼對(duì)黃綠光較敏感，敏感峰值在555 nm處；而植物對(duì)紅藍(lán)光較敏感，有兩個(gè)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(zhǎng)范圍內(nèi)，光源在單位時(shí)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(shí)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(jiàn)光范圍內(nèi)(400～760 nm)輻射通量與人眼視見(jiàn)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(shuō)，如果用人眼光度學(xué)參量計(jì)量和評(píng)價(jià)植物光照效果是毫無(wú)意義的。

2 光照對(duì)果蔬采后保鮮的作用機(jī)理

果蔬在采收之后仍可以進(jìn)行光合作用而得以正常生長(zhǎng)。在比較寬的光譜當(dāng)中，紫外光對(duì)植物的色澤及形態(tài)有顯著的影響[5，6]；紅藍(lán)光則是植物生長(zhǎng)所需光的主力軍，影響著植物形態(tài)及大部分的生理活動(dòng)[7-9]；綠光和紅外光則影響著植物傳送運(yùn)輸營(yíng)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(guò)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(dòng)[1]。當(dāng)然果蔬采收后的光合作用還會(huì)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(huì)加快衰老，當(dāng)在有一定的光照時(shí)，其衰老將顯著減緩[2]。經(jīng)過(guò)研究人員這幾年來(lái)的研究探索，關(guān)于光對(duì)果蔬采后保鮮的作用機(jī)理有如下觀(guān)點(diǎn)：(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(kāi)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(lèi)物質(zhì)，使葉綠體延遲降解，進(jìn)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(guò)光合作用和呼吸作用形成 ATP 所致，糖類(lèi)物質(zhì)是間接形成的，所起到的作用不大[13-21]；(3)某一波長(zhǎng)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(jìn)而延緩組織衰老[21-25]；(4)某一波長(zhǎng)的光(如紫外線(xiàn)、紫光和藍(lán)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(zhǎng)，從而延緩了果蔬的衰腐[26-31]；等等。

3 各種光質(zhì)LED光源對(duì)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(duì)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(shí)對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)范圍的單色光LED作為實(shí)驗(yàn)光源以研究光照對(duì)果蔬采后貯藏保鮮作用。各單色光LED對(duì)果蔬采后貯藏保鮮作用效果情況見(jiàn)表1～表4。

表中的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)均為參考文獻(xiàn)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(lán)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(lán)LED光源[32，33]或藍(lán)白LED光源[34，35]處理西蘭花。也有研究人員從光對(duì)果蔬采后基因表達(dá)的角度進(jìn)行研究[36，37]。但主要是從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：①不同光照強(qiáng)度對(duì)果蔬采后保鮮的影響[38，39]；②不同光質(zhì)對(duì)果蔬采后保鮮的影響[40，41]；③光配比對(duì)果蔬采后保鮮的影響[42-44]；④光照對(duì)果蔬采后霉菌及病變的影響[45]；⑤同一光質(zhì)對(duì)不同果蔬采后保鮮的影響[46]。而被選為研究對(duì)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(lán)光和紅光，關(guān)于近紅外、黃光和橙光LED對(duì)果蔬采后保鮮作用的研究罕見(jiàn)報(bào)道。而關(guān)于光照對(duì)果蔬保鮮效果評(píng)判主要是從色澤、硬度、氣味、霉菌、呼吸代謝、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和酶活性等進(jìn)行評(píng)估。其中紫外光及藍(lán)紫光對(duì)采后果蔬的色澤、氣味和霉菌病變影響較顯著；紅藍(lán)光對(duì)采后果蔬的營(yíng)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(duì)果蔬的保鮮作用則具有爭(zhēng)議。

4 研究中存在的一些問(wèn)題

在查閱近年來(lái)研究人員發(fā)表的相關(guān)文章時(shí)，不難發(fā)現(xiàn)，關(guān)于光照對(duì)果蔬采后保鮮的作用機(jī)理還沒(méi)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(diǎn)：①用以人眼光度學(xué)為理論依據(jù)的相關(guān)儀器測(cè)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(duì)低溫貯藏西蘭花的保鮮作用時(shí)，采用深圳某公司生產(chǎn)的HT-1301 照度儀測(cè)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(cè)試，市面上已有多款植物光照測(cè)試儀，如杭州某公司生產(chǎn)的植物照明專(zhuān)用分析儀PLA20和臺(tái)灣某公司生產(chǎn)的植物生長(zhǎng)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(lán)復(fù)合光間歇照射對(duì)西蘭花貯藏品質(zhì)的影響時(shí)，以紅藍(lán)光燈珠數(shù)比值(紅藍(lán)光燈珠比為29∶4)為光配比值，這不科學(xué)，因?yàn)楣馀浔戎傅氖歉魈囟úㄩL(zhǎng)范圍的光的光量子數(shù)之比或輻射功率之比；③缺乏專(zhuān)業(yè)先進(jìn)的分析儀器。

5 未來(lái)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(shì)，一是LED光譜無(wú)論從單色光譜還是復(fù)合光譜都可以得到實(shí)現(xiàn)；二是作為光源智能控制方面比較容易實(shí)現(xiàn)；三是整體光照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以根據(jù)果蔬采收后放置的不同環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段，研究人員多為采用單色光或紅藍(lán)復(fù)合光LED作為光源研究光照對(duì)果蔬采后保鮮的影響，且研究不夠深入全面。在未來(lái)的光照保鮮研究中，可從如下幾方面進(jìn)行研究：①多種光質(zhì)復(fù)合的光照對(duì)果蔬保鮮作用機(jī)理及影響，即結(jié)合各種光質(zhì)對(duì)果蔬采后保鮮的不同作用，進(jìn)行強(qiáng)強(qiáng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)效果互補(bǔ)；③光照對(duì)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(duì)果蔬采后保鮮的影響，需要有完善的實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)光源設(shè)備、測(cè)試儀器也有較高的要求。光源設(shè)備最好能實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)可調(diào)和光譜可調(diào)，這需要用到智能控制技術(shù)，會(huì)為研究帶來(lái)更多的方便；測(cè)試儀器則需要用專(zhuān)用的測(cè)試儀器，特別是對(duì)植物光度量參數(shù)的測(cè)量，對(duì)保鮮效果的評(píng)估也要用科學(xué)的方法，方案簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 方案簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram

6 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)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(wèn)題，介紹了植物光度學(xué)和人眼光度學(xué)的相關(guān)知識(shí)。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(diǎn)，LED保鮮光源可以廣泛應(yīng)用于電冰箱、果蔬貯藏冷庫(kù)、果蔬運(yùn)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(duì)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(huì)給果蔬采后保鮮技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)更廣闊的空間。