陳永康，劉厚誠（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣州 510642）

植物工廠是一種通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，實現(xiàn)周年、連續(xù)、高效生產(chǎn)作物的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，植物工廠內(nèi)部環(huán)境不受或很少受到外部環(huán)境的影響，在高精度環(huán)境調(diào)控的基礎(chǔ)上，研究（生產(chǎn)）者可以根據(jù)作物的品種和生長階段制定不同的生長調(diào)控策略，為作物提供適宜的生長條件。

植物工廠是由人工照明、無土栽培、環(huán)境高精度調(diào)控等多種技術(shù)結(jié)合的基礎(chǔ)上建立的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，其構(gòu)成組分包括照明系統(tǒng)、空調(diào)和循環(huán)系統(tǒng)、CO2供應(yīng)系統(tǒng)、營養(yǎng)液供應(yīng)系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)等，其中照明系統(tǒng)在生產(chǎn)中占有核心關(guān)鍵性地位[1-2]。在眾多環(huán)境因子中，光照對于植物生長發(fā)育的影響最為重要，光作為能量參與光合作用或作為信號被光受體感知和吸收直接或間接地參與植物體內(nèi)的生理代謝過程[3-4]，所以植物體內(nèi)大多數(shù)初生代謝物、次生代謝物受光的調(diào)控。植物工廠作為高新技術(shù)農(nóng)業(yè)，其生產(chǎn)成本居高不下。因此如何提高作物產(chǎn)量、栽培效率、資源利用率以及作物品質(zhì)一直是植物工廠研究的熱點。

由于人們生活方式的改變和對自身健康與食品營養(yǎng)之間的聯(lián)系認(rèn)識的提高，對食物的成分和營養(yǎng)價值越來越感興趣，消費者逐漸往健康飲食方向轉(zhuǎn)變。功能性食品變得越來越受歡迎，并正在成為日常飲食的一部分[5]。國際生命科學(xué)研究院歐洲分部給出了“功能性食品”明確的定義：如果一種食品可以令人信服地證明對身體某種或多種機能有益處，在提供充分營養(yǎng)的基礎(chǔ)上能夠改善健康狀態(tài)或降低患病風(fēng)險，那么它就被認(rèn)為是功能性食品[6]。功能性食品的健康益處來自其含有的功能性成分。對于蔬菜來說，功能性成分包括初生代謝物和次生代謝物，例如多酚、葉綠素、類胡蘿卜素、維生素、硫代葡萄糖苷以及礦質(zhì)元素等多種物質(zhì)，它們主要在發(fā)育和生長、調(diào)節(jié)基礎(chǔ)代謝過程、抵御氧化應(yīng)激、心血管疾病、癌癥以及身體、心理和認(rèn)知能力等方面作用[7-10]。植物工廠中以人工照明（光調(diào)控）為代表的技術(shù)是提高蔬菜中功能性成分和抗氧化能力的關(guān)鍵環(huán)境控制手段。

類黃酮含量

類黃酮是植物中一類重要的次生代謝產(chǎn)物，存在于水果、蔬菜和茶葉等許多食源性植物中。類黃酮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致其細(xì)分為黃酮醇類、黃酮類、黃烷酮類、黃烷-3-醇類、異黃酮類和花青素類等主要類型[11]。類黃酮具有生物活性，其在抗氧化、減少自由基形成和清除自由基[12]、預(yù)防阿爾茨海默病和帕金森病[13-14]、抗菌[15]、抗癌細(xì)胞[16]、抗炎和抗病毒[17]等方面發(fā)揮著重要的作用。

在植物工廠條件下，光是調(diào)控蔬菜類黃酮等功能性成分的關(guān)鍵因素。在紅白混合光R:W=2:3，250 μmol/(m2·s)的條件下，采前10天補充不同強度的UV-A 對芥藍幼苗總黃酮含量有顯著影響，20 和30 μmol/(m2·s) UV-A 處理的總黃酮含量分別比對照顯著增加64% 和23%[18]。在紅白光基礎(chǔ)上分階段補充遠紅光、藍光顯著提升生菜類黃酮含量，移苗后前7 天補充20 μmol/(m2·s)的遠紅光和后7 天補充50 μmol/(m2·s) 的藍光處理以及前7 天補充30 μmol/(m2·s) 的遠紅光和后7 天補充50 μmol/(m2·s) 的藍光處理分別使生菜類黃酮含量顯著提升36.74%、35.28%[19]。類黃酮含量還與紅白光比例有關(guān)，在350±5 μmol/(m2·s) 光合光子通量密度（PPFD）下，低比例紅白光處理（R:W=1:1）的黃葉白菜類黃酮含量相比于高比例紅白光處理（R:W=3:1）顯著提高了115.6%[20]。兩個低比例紅藍光處理（80/40 μmol/(m2·s) 和60/60 μmol/(m2·s)）的生菜類黃酮含量相比于最高比例紅藍光處理（90/30 μmol/(m2·s)）顯著提升至最大值[21]。高比例藍光同樣影響著香椿芽苗菜類黃酮含量，與白光相比，純藍光顯著提高了29.08% 紅葉香椿總黃酮含量[22]，藍光比例越高，總黃酮含量越高，80% 和100%藍光分別比對照提高了63.8% 和92.3% 香椿芽苗菜總黃酮含量[23]，與白光相比，高比例藍光處理R:B=1:460 μmol/(m2·s) 使香椿芽苗菜總黃酮含量顯著提高至最大值5.2 mg/g DW[24]。不同蔬菜品種也是影響類黃酮含量的重要因素，450 μmol/(m2·s) 白光條件下栽培的五種十字花科蔬菜的類黃酮含量各有差異，千寶菜、‘廣府’油菜心類黃酮含量相比‘龍湖’奶白菜分別提高了121.14%、114.71%[25]。采收時期與蔬菜品質(zhì)息息相關(guān)，紅藍比為8:2 條件下，羽衣甘藍類黃酮含量隨著其生長階段的不同而產(chǎn)生變化，兩個品種羽衣甘藍類黃酮的單株產(chǎn)量和單位面積年產(chǎn)量均在種植第49 天達到最大值[26]。

在植物工廠中，無土栽培的營養(yǎng)液與蔬菜類黃酮含量存在聯(lián)系。不同鉀濃度的營養(yǎng)液處理對蕹菜類黃酮含量存在影響，與全鉀濃度處理相比，低鉀濃度處理（3.2 mmol/L）使蕹菜類黃酮含量顯著提升17.91%[27]。采收前通過中斷營養(yǎng)液供應(yīng)的方式施加干旱脅迫可顯著增加羽衣甘藍類黃酮含量，與對照組相比，干旱3 天和干旱4 天處理的羽衣甘藍類黃酮濃度和單株積累量分別增加了48% 和37%[28]。調(diào)控營養(yǎng)液EC 是提高紫蘇黃酮類化合物含量的一種有效方法，在PPFD 為200 μmol/(m2·s)時，3.0dS/mEC處理使綠紫蘇芹菜素濃度增加了2.9 倍[29]。

植物工廠中適宜的氣溫有利于蔬菜類黃酮的累積，在25 ℃下，紅菊苣、茼蒿的類黃酮含量均顯著提升至最高值[30]。CO2濃度的升高促進了苜蓿芽苗菜黃酮類化合物的增加，與400±27 μmol/mol 處理相比，620±42 μmol/mol處理使 Giza 1 和Nubaria 品種的類黃酮含量分別提升了33.33% 和90%，大多數(shù)檢測到的黃酮類化合物在高濃度CO2處理下都顯著升高[31]。適宜的空氣流動也是調(diào)控蔬菜類黃酮含量的有效手段，在光照期間吹風(fēng)20 h 處理下生菜類黃酮含量顯著高于不吹風(fēng)、黑暗吹風(fēng)4 h 以及全天吹風(fēng)等處理[32]。

VC 含量

VC（L-抗壞血酸）屬于水溶性維生素，對人體維持正常的生理功能起到至關(guān)重要的作用，例如發(fā)揮抗氧化作用，直接或間接地清除活性氧，預(yù)防糖尿病、癌癥、心血管疾病，促進膠原蛋白的形成等[33-34]。人體無法合成VC，新鮮的蔬菜和水果是VC 的主要食物來源。

在植物工廠條件下，光調(diào)控（光強、光質(zhì)、光周期）、光源類型以及栽培品種對蔬菜VC含量存在影響。補充UV-A（10μmol/(m2·s)380±10 nm）、遠紅光（50 μmol/(m2·s)，730±10 nm）以及UV-A+遠紅光皆提升了生菜VC的含量，UV-A 處理的效果最為顯著，胭脂生菜VC 含量提升73%，奶油紅生菜VC 含量提升了36.58%[35]。隨著UV-A 光照強度的增加，紫葉生菜VC 的含量逐漸提高，30 μmol/(m2·s) UV-A使 VC 的增幅高達70.61%[36]。紅白光比例可調(diào)控蔬菜VC 含量，高比例紅白光（R:W=2:1和R:W=3:1，350 μmol/(m2·s)）分別使蕹菜和黃葉白菜VC 含量顯著提高了76.82% 和25.0%[20,37]。LED 紅藍比為1.2、光周期16 h、光強為300 μmol/(m2·s) 處理下生菜VC 含量最高，是最低值的2.06 倍，光強越大、光周期越長，VC 等代謝物含量越高[38]。在日光總量為17.3 mol/m2，LED 紅藍比為1.2 處理下，菠菜VC 含量提升了1 倍，同時藍光比例越高，VC 含量越高[39]。給光模式的不同也影響著蔬菜VC 的含量，在白光（160 μmol/(m2·s)）基礎(chǔ)上半重疊或不重疊補充遠紅光（100 μmol/(m2·s)）可顯著提升生菜VC 含量，不重疊補充遠紅光（930 nm）使VC 含量最高[40]。在芝麻菜收獲前3 天將正常光照轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)補光處理使VC 含量顯著增加了約50%[41]。生菜能夠耐受15 天內(nèi)紅藍光連續(xù)光照（CL，24/0 h，200 μmol/(m2·s)），3、6、9、12、和15 天連續(xù)光照均在不同程度上提高了還原態(tài)抗壞血酸、氧化態(tài)抗壞血酸以及總抗壞血酸的含量[42]。

不同的營養(yǎng)液明顯影響著蔬菜中的VC 含量。采前10 天對營養(yǎng)液濃度進行更換，清水處理比2 倍營養(yǎng)液處理提升了78.98% 的生菜VC含量[43]。G2.0（國家蔬菜技術(shù)研究中心營養(yǎng)液EC2.0）處理使韭菜VC 含量顯著高于其他處理，增幅最高可達43.8%[44]。園試營養(yǎng)液處理的蕹菜VC 含量高于霍格蘭營養(yǎng)液處理近1 倍[27]。與全濃度營養(yǎng)液相比，1/2 濃度營養(yǎng)液使紅葉生菜中VC 和花青素的濃度顯著提升，增幅為266%和380%[45]。在150 μmol/(m2·s) 光照強度條件下，相比高濃度營養(yǎng)液處理（1.2 倍山崎配方），低濃度營養(yǎng)液處理（0.8 倍山崎配方）顯著提高了40% 的生菜VC 含量[46]。營養(yǎng)液膜栽培系統(tǒng)的較短營養(yǎng)液供液間隔時間（20 min）可使生菜VC 含量維持在較高水平，與深液流栽培相比，增幅高達61.24%[47]。

植物工廠CO2濃度也影響著蔬菜中的VC含量。與400 μmol/mol CO2濃度處理相比，1600 μmol/mol 處理顯著提升了生菜16.25%的VC含量；2000μmol/mol處理則顯著提高了21.21%[48]。

VE 含量

VE（Vitamin E）是一類脂溶性維生素的統(tǒng)稱。VE 共包括 8 種類型，分為生育酚（Tocopherol）和生育三烯酚（Tocotrienol）兩大類，每一類都具有α、β、γ 和δ 四種構(gòu)型[49]。VE 除了作為抗氧化劑消除自由基，延緩細(xì)胞損傷、衰老外，還在抑制肺癌[50]、降低患阿爾茨海默氏病的風(fēng)險[51]、降低流產(chǎn)率[52]等方面起到重要作用。VE在光合自養(yǎng)生物中合成，人必須通過飲食攝取才能補充VE。雖然VE 主要來源于植物油、堅果、稻米、小麥等食物中，但葉莖類蔬菜也扮演著為人體提供充足VE 的重要角色[53]。

蔬菜中VE 含量受光質(zhì)、栽培品種影響較大。紅光比例的增加影響蔬菜的α-生育酚含量，當(dāng)638 nm 和665 nm 紅光比例分別增加至100% 時（300 μmol/(m2·s)），羅勒和歐芹的α-生育酚含量增加了10.85% 和47.71%[54]。0% 藍光處理下歐芹的α-生育酚和總生育酚含量最高，較最低處理提升了59.11%、39.19%[55]。蔬菜α-生育酚含量隨光質(zhì)比和品種的不同而變化，蕓薹屬的21 個品種蔬菜的α-生育酚含量在低紅光:高藍光處理（R20:B80，150 μmol/(m2·s)）下皆達到最高值，品種間差異高達1.34 倍[56]。LED紅藍光組合（Red650～680 nm，Blue 430～460 nm）處理使西蘭花芽苗菜擁有最高的VE 含量，相比單獨藍光處理提升了32.43%，是油菜苗的4 倍[57]。在植物工廠條件下補充UV-A可明顯提高蔬菜VE 含量，在藍、紅、深紅以及遠紅光的基礎(chǔ)上補充12.4 μmol/(m2·s) 的UV-A（366 nm、390 nm、402 nm）可以明顯增加甜菜和小白菜中的α-生育酚含量，同一品種間最高 增 幅90.87% 和105.49%[58]；在10 h 或16 h的光周期下，402 nm UV-A 處理均使芥菜苗菜α-生育酚含量顯著提升至最高值[59]。

微量元素含量

微量元素指的是鋅(Zn)、鐵(Fe)、錳(Mn)、銅(Cu)、鈷(Co)、鉬(Mo)、硼(B)、碘(I)和硒(Se)等多種對動植物體必需或準(zhǔn)必需的的礦物質(zhì)。它們對于保持健康的神經(jīng)功能和保持身體系統(tǒng)、骨骼和細(xì)胞的健康和平衡是必不可少的[60]。例如，銅對結(jié)締組織、神經(jīng)組織以及骨骼的發(fā)育至關(guān)重要，鐵參與氧運輸和電子傳遞，硒參與抗氧化保護、睪酮的生物合成和精子的形成和發(fā)育，鋅影響約100 種酶的活性，促進人體孕期、幼年期和青春期的正常生長和發(fā)育[61]。

光環(huán)境可調(diào)控蔬菜礦質(zhì)元素的吸收。在植物工廠條件下，常規(guī)光照（紅:藍=4:1）光期中間轉(zhuǎn)為短期的強光（500 μmol/(m2·s)）照射有利于微量元素的累積，0.5 h 強光照射提升了生菜Mn 27.98% 的含量與35.71% 的累積量，1 h 強光照射提升了生菜Fe 12.64% 的含量與27.96%的累積量[62]。補充UV-A 對芥菜微量元素含量的影響與波長和持續(xù)時間相關(guān)，在基礎(chǔ)光上補充UV-A（16 h，402 nm）使B、Mn、Zn、Cu等微量元素含量均有不同程度顯著增加[59]。采前連續(xù)補充紅藍光的方式可生產(chǎn)出富含微量元素的生菜，隨著光照強度的增加某些元素含量的增幅愈發(fā)顯著，300 和500 μmol/(m2·s) 連續(xù)紅藍光（72 h，4:1）處理分別使生菜Mn 和Fe 含量顯著提高25.62% 和344.88%[63]。在10 mmol/L N 濃度條件下，連續(xù)紅藍光（72 h，4:1）處理使生菜Fe、Cu、Zn 含量達到最大值，較最低處理增幅高達57.63%、76.92%、70.54%[64]。與紅藍綠（30 μmol/(m2·s)=1:1:1）基礎(chǔ)光處理相比，噴施Se（40 mL 100 μmol/L Na2SeO3）結(jié)合補充UV-A（380±10 nm 40 μmol/(m2·s)）處理使青花菜芽苗Fe 含量顯著增加了30%，有機Se 含量顯著增加了20 倍[65]。在所有LED+Se 組合處理下，青花菜芽苗有機Se 的含量最高增幅為對照組的24 倍[66]。在3/4 霍格蘭營養(yǎng)液條件下補充12 h 光周期的紅藍光或補充150 μmol/(m2·s) 強度的紅藍光均使總Zn 含量相較于其他處理顯著增加[67-68]。

營養(yǎng)液供應(yīng)顯著影響作物微量元素含量。不同營養(yǎng)液供液深度對生菜礦質(zhì)元素吸收存在顯著影響，6 cm 處理使Fe、Mn、Cu 元素的含量較最低處理增加1.73、0.61、0.80 倍，4 cm和6 cm 處理分別使Zn、Cu 和Fe、Mn 元素累積量較最低處理增加0.72、2.26 倍和2.81、1.25倍[69]。在富Zn 營養(yǎng)液處理下，0.1 mM Zn 處理與0.001 mM Zn 處理相比，生菜葉片Zn 濃度提高了5.2 倍，在2.2 ms-1風(fēng)速和30℃根區(qū)溫度條件下，生菜葉片Zn 濃度分別提高1.7 倍和3.2倍[70]。25℃根區(qū)溫度處理使生菜對微量元素均具有較強的吸收和積累能力，與35℃處理相比，生菜Zn、Fe、B、Cu 和Mn 含量分別顯著提高了556.30%、316.19%、39.30%、274.91% 和201.36%[71]。

植物工廠內(nèi)氣體環(huán)境影響蔬菜微量元素含量。三種濃度（2.9、5.4、7.8 × 105ions/cm3）空氣負(fù)離子處理4 周后，兩個栽培區(qū)域的羽衣甘藍微量元素（Fe、Mn、Zn）含量至少增加1.3～1.6 倍[72]。

展望

如今，世界人口迅速增長、可用耕地面積逐年減少，食物安全面臨嚴(yán)峻的考驗，植物工廠技術(shù)的出現(xiàn)，讓人們看到了現(xiàn)代以及未來高科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。植物工廠依靠人工照明、無土栽培、環(huán)境高精確調(diào)控等技術(shù)使蔬菜單位面積產(chǎn)量提高或功能性成分含量提升，甚至可以做到二者兼具，既解決了食物安全的難題又迎合了消費者對功能性食物日益增長的需求。在未來，隨著資源利用率的提高以及生產(chǎn)成本的降低，植物工廠將在高產(chǎn)量、優(yōu)品質(zhì)蔬菜生產(chǎn)當(dāng)中承擔(dān)著愈發(fā)重要的責(zé)任，為人類福祉提供更大的幫助。