李偉，佟靜，武占會，劉寧，王寶駒，季延海，王麗萍

(1. 河北工程大學園林與生態(tài)工程學院，河北 邯鄲 056038；2. 北京市農林科學院蔬菜研究所，北京 100097；3. 農業(yè)農村部華北都市農業(yè)重點實驗室，北京 100097)

LED 燈作為人工補充光源，其電光的轉化效率高，發(fā)光效率在80 ～180 lm/W 之間，大大節(jié)約成本[1]。 隨著LED 燈的發(fā)展、普及與不斷的更新換代，其逐漸在植物工廠中開始使用，實現了植物多層多架多時段種植，這不僅能提高植物工廠內的空間利用效率，還能增大不同顏色光質在生產中的利用效率[2]。 不同植物的不同生長時期對光質敏感程度不盡相同，白光作為一種混合光源，雖能滿足植物對光源的要求，但會造成資源浪費。

光質是光的重要屬性，植物的生長和品質直接受到光質的影響[3-4]。 植物體內存在著光敏色素、隱花色素以及紫外光-B 受體三種類型的感光受體，分別感應600 ～800 nm 紅光、320 ～500 nm藍紫光及280～320 nm 紫外光[5]。 紅光可以促進植物的營養(yǎng)生長，增大葉面積，提高株高、植株生物量以及光化學效率，同樣對莖生長也具有正向調控作用，它通過調控體內激素IAA 含量實現[6-8]。 藍光可以影響植物光形態(tài)的建成，也可以提高植物的營養(yǎng)品質[9]。 綠光不僅能刺激較低冠層的光能利用效率，還能延緩葉片衰老[10]。綠光的加入提高了甜椒的果實重以及干物質含量[11]。 有研究表明經過綠光處理的植株，生長速率和生物量得到提高，但光強過大則會抑制生長[12]。

韭菜(Allium tuberosumRottl. ex Spr.)為百合科蔥屬多年生草本宿根植物，因其獨特的風味品質廣受大眾歡迎。 S-烴基半胱氨酸亞砜[S-alk(en)yl cysteine sulfoxide，CSOs]是蔥屬植物中含硫的天然產物[13]，是形成韭菜風味品質的主要成分之一[14-15]。 跟土培相比，水培韭菜茬次頻率較快、生長期短，CSOs 表達不充分，造成韭菜風味品質下降。

CSOs 主要存在于蔥屬蔬菜植物中，但不同種類蔬菜中的CSOs 種類也不同，主要有四種類型，分別為S-烯丙基-L-半胱氨酸亞砜(ACSO)、S-甲基-半胱氨酸亞砜(MCSO)、S-丙基-半胱氨酸亞砜(PCSO)、S-1-丙烯基-L-半胱氨酸亞砜(PeCSO)。 ACSO 存在于大蒜，MCSO 存在于蔥屬和蕓薹屬，PCSO 和PeCSO 存在于洋蔥[16]。 當植物受到損傷時，CSOs 與蒜氨酸酶(alliinase)等一系列酶反應生成丙酮酸鹽、氨和含硫化合物，后者會分解成易揮發(fā)、有氣味的風味物質[17]。

前人在洋蔥風味的研究上表明，洋蔥風味與辛辣性息息相關，丙酮酸含量決定了洋蔥的辛辣性，而蔥屬植株中有機硫化物的合成和丙酮酸含量80%以上取決于遺傳因素，其余部分受到外界環(huán)境影響[18]。 為此，本試驗以白光為對照，設置紅光、藍光、綠光3 種光質處理，研究不同LED 光質對水培韭菜生長、品質以及風味指標的影響，以期為植物工廠條件下高效率、高品質、低成本生產韭菜提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2022 年3 月9 日至4 月12 日在北京市農林科學院蔬菜研究所的人工光植物工廠中進行。 供試韭菜品種為‘791’，播種時間為2021 年7 月20 日，定植時間為2021 年10 月20 日。 供試營養(yǎng)液由北京市農林科學院蔬菜研究所專門研發(fā)的肥料添加蒸餾水配制而成。

1.2 試驗設計與管理

本試驗所用營養(yǎng)液濃度統(tǒng)一控制在EC 為(2.5±0.2) mS/cm、pH 值為6.0±0.2。 光照采用LED 植物生長燈供給，燈管與韭菜距離控制在25 cm 左右。 試驗設置4 種光質處理，即白光、紅光、藍光、綠光，光照強度均為200 μmol/(m2·s)，光周期設置為12 h(光)/12 h(暗)。

2022 年3 月9 日選取沒有產生分蘗且生長一致的單株韭菜割去前茬后移栽至水培架上，采用液培法種植。 植物工廠內，溫度為20 ℃，CO2濃度為1 680 μmol/mol，相對濕度為60%。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標調查 采用直尺測量株高、葉長、葉寬，采用游標卡尺測量假莖粗，記錄葉片數。韭菜鮮重和干重采用電子天平稱重。 鮮韭菜稱重后放進烘箱，105 ℃殺青后75 ℃烘干至恒重，干燥冷卻后稱干重。 每處理重復3 次，每次5 株韭菜。

1.3.2 葉片熒光參數測定 將整株韭菜進行暗處理30 min，利用Fluor Cam 葉綠素熒光成像系統(tǒng)測定韭菜葉片最大熒光(Fm)、可變熒光(Fv)、初始熒光(Fo)，然后在作用光強400 μmol/(m2·s)下測定初始熒光(Fo＇)、可變熒光(Fv＇)、穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)、最大熒光(Fm＇)等參數。 利用相應計算公式算出暗適應下最大光化學效率(Fv/Fm)、光適應下實際光化學效率(ФPSⅡ)、光化學猝滅系數(qP)、光系統(tǒng)Ⅱ的潛在活性(Fv/Fo)。

1.3.3 生理與營養(yǎng)品質指標測定 用乙醇浸提比色法測定葉片光合色素含量；用2，6-二氯酚靛酚比色法測定VC 含量；用考馬斯亮藍比色法測定可溶性蛋白含量；用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；用60% H2SO4消化-蒽酮比色法測定纖維素含量；用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系活力；用硝基水楊酸法測定硝態(tài)氮含量；用紫外分光光度法測定類黃酮和總酚含量[19-22]。

1.3.4 韭菜辛辣度測定 利用洋蔥辛辣度的檢測方法對韭菜的辛辣度進行分析，其辛辣度通過測定CSOs 水解后酶促丙酮酸含量來表示[23]。 每處理取5～8 株長勢一致的韭菜，去掉葉尖及莖保留中間部位，并切成3 ～5 mm 小段。 每處理分為背景組和反應組，每組重復3 次，每重復取0.200 g 韭菜放入EP 管中，之后背景組加入5% TCA 磷酸緩沖液(pH 6.5)1.5 mL，反應組加入蒸餾水1.5 mL。 采用高通量植物勻漿提取儀研磨成勻漿，用臺式冷凍離心機在10 000 r/min、25 ℃條件下離心5 min。 將離心后的各處理上清液稀釋5 倍。背景組和反應組分別按比例加入稀釋后的韭菜組織上清液、0.0125% 2，4-二硝基苯肼溶液、0.6 mol/L NaOH(3∶1∶5)，室溫下反應5 min。 用Bio Tek 酶標儀在波長520 nm 處進行吸光值測定。將丙酮酸鈉溶液進行梯度稀釋，繪制標準曲線，用于計算韭菜葉片的酶促丙酮酸含量，間接測定其辛辣度。 為確定韭菜生長期間不同光質下韭菜酶促丙酮酸含量的變化趨勢，于處理7 天后每3 天進行一次酶促丙酮酸含量測定，共測定10 次。

1.3.5 產量調查 參考文獻[24]的方法進行產量調查。 產量(kg/hm2)＝(單個營養(yǎng)液栽培格盤收獲韭菜重×10 000)/格盤面積(0.11505 m2)。

1.3.6 風味檢測 利用PEN3 電子鼻進行韭菜風味品質測定。 采用頂空吸空氣法檢測，將5 g 韭菜磨成勻漿并用25 mL 蒸餾水沖洗進50 mL 燒杯中用封口膜封口，放置10 min，將取樣針頭插入密封燒杯的頂部吸取氣體樣品。 檢測條件:傳感器沖洗時間為100 s，歸零時間以及樣品準備時間為5 s，進樣流量為300 mL/min，樣品測定時間為150 s。 將傳感器響應曲線中第100 s 的平均值作為特征穩(wěn)定值用于后續(xù)建模。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 進行數據處理和作圖，采用SPSS 25.0 軟件進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同LED 光質對水培韭菜生長指標的影響

由圖1 可知，藍光處理韭菜長勢被抑制，沒有出現分蘗現象，地下部長勢優(yōu)于其他處理，更利于硫素的轉化積累和提高韭菜辛辣度。

圖1 不同LED 光質下水培韭菜形態(tài)

由表1 可以看出，株高、葉長以綠光處理最大，與白光處理相比分別顯著增加51.4%和40.4%；但綠光處理韭菜莖過度伸長，假莖變細，葉片數減少，韭菜纖弱易倒伏，且產量只有21 137.48 kg/hm2，較白光處理顯著降低26.8%。紅光在提高葉寬和產量方面具有顯著促進作用，與白光相比，分別提高17.0%和31.6%；紅光處理產量最高，為38 028.59 kg/hm2，說明紅光可以顯著提高韭菜產量。 與白光相比，藍光顯著抑制韭菜的葉長、假莖粗和葉片數。 白光處理下，韭菜假莖粗和葉片數達到最大值，分別為13.66 mm 和10.33片，顯著高于紅光、藍光以及綠光處理的韭菜，說明二者可能受到多種光質的調控。

表1 不同LED 光質對水培韭菜生長及產量的影響

由表2 可知，韭菜地上部鮮重紅光處理下最大，為73.73 g，最低值出現在綠光處理，為31.83 g，因其地上部徒長而莖稈纖弱。 與白光相比，紅光、藍光、綠光抑制韭菜干物質積累，地上部干重分別下降19.5%、9.3%、72.6%。 植株地上部含水率在綠光處理下達到最大值，為95.1%。 4種光質處理地下部鮮重表現為白光＞紅光＞藍光＞綠光，地下部干重表現為藍光＞白光＞紅光＞綠光，說明藍光促進地下部干物質積累。

表2 不同LED 光質對水培韭菜生長指標的影響

2.2 不同LED 光質對水培韭菜熒光指標的影響

Fv/Fo 常被用來衡量植株葉片中PSⅡ原初光能轉化效率以及潛在的活性；ФPSⅡ常被用作衡量葉片中光合電子傳遞快慢的指標；qP 為光化學淬滅系數，反映PSⅡ中原初電子QA 的還原狀態(tài)，qP 值越大PSⅡ中的電子傳遞活性越大。 由表3 可知，Fv/Fm、Fv/Fo 的變化趨勢相同，均為藍光＞綠光＞白光＞紅光，藍光處理達到最大值，分別為0.794、3.85；綠光處理qP 達到最大值，為0.829；紅光處理ФPSⅡ達到最大值，為0.622。

2.3 不同LED 光質對水培韭菜葉綠素含量的影響

由表4 可知，與白光相比，紅光、藍光、綠光都抑制韭菜葉綠素的合成，并且綠光的抑制效果更顯著。 葉綠素a、葉綠素a+b含量均為白光＞藍光＞紅光＞綠光，葉綠素b 含量為白光＞紅光＞藍光＞綠光。 說明韭菜葉綠素對單一光源敏感程度不同，受到多種光質共同影響。

表4 不同LED 光質對水培韭菜葉綠素含量的影響

2.4 不同LED 光質對水培韭菜營養(yǎng)品質的影響

由表5 可知，VC 含量表現為藍光＞白光＞紅光＞綠光，說明紅光和綠光抑制韭菜VC 的生成，而藍光有利于韭菜VC 的生成，VC 含量最大值為389.85 mg/kg。 韭菜可溶性糖含量各處理間沒有顯著差異，含量在2.13%～2.17%。 經過藍光處理的韭菜可溶性蛋白含量最高，為6.34 mg/g，紅光、綠光處理韭菜的可溶性蛋白含量都有不同程度的降低，較白光處理分別降低2.9%、29.0%。 經過單色光處理的韭菜酶促丙酮酸含量都有不同程度的提高，紅光、藍光、綠光處理之間差異不顯著。硝態(tài)氮含量表現為紅光＞白光＞綠光＞藍光，最低值為5 100.16 mg/kg，與白光相比降低34.6%。說明適當的藍光可以降低韭菜的硝態(tài)氮含量，提高韭菜營養(yǎng)品質。

表5 不同LED 光質對水培韭菜營養(yǎng)品質的影響

由圖2 可知，白光處理韭菜的纖維素含量最高，表現為白光＞紅光＞綠光＞藍光；紅光處理韭菜的總酚含量和類黃酮含量最高，總酚含量表現為紅光＞白光＞藍光＞綠光，類黃酮含量表現為紅光＞藍光＞白光＞綠光。 總酚和類黃酮含量最大值分別為7.33 mg/g 和126.1 mg/kg，較白光處理分別提高28.6%和40.9%；藍光處理的韭菜纖維素含量最少，較白光處理降低50.1%。 紅光處理韭菜的根系活力最大，為734.57 μg/(g·h)，較白光處理提高9.2%；與白光相比，藍光、綠光處理降低韭菜的根系活力，繼而降低韭菜從營養(yǎng)液中吸收營養(yǎng)物質的效率。

圖2 不同LED 光質對水培韭菜營養(yǎng)品質的影響

2.5 不同LED 光質對水培韭菜酶促丙酮酸含量的影響

從圖3 可以看出，LED 光質處理第10 天時韭菜酶促丙酮酸含量出現峰值，以綠光處理最大，含量為10.66 μmol/g；第34 天時白光處理韭菜酶促丙酮酸含量最低，為5.62 μmol/g。 韭菜生長初期至收獲期，紅光、藍光、綠光處理下韭菜體內酶促丙酮酸含量總體高于白光處理，韭菜生長期內酶促丙酮酸含量大致呈下降趨勢。 從韭菜風味考慮，可以將韭菜收獲期提前。

圖3 不同LED 光質處理的水培韭菜酶促丙酮酸含量變化趨勢

2.6 不同LED 光質對水培韭菜風味成分的影響

表6 為電子鼻儀器測定的10 種風味指標。圖4 為韭菜樣品在電子鼻中的檢測信號圖，即電子鼻對韭菜樣品敏感物質的響應曲線，根據10 個電子鼻傳感器檢測到的10 種風味物質的相對電導率數值繪制。 其中，G0 為傳感器通入空氣時的初始電導率，G 為檢測到韭菜樣品中揮發(fā)性物質時的電導率，G/G0 代表傳感器的相對電導率。電子鼻檢測到的氣體濃度越大，其響應就越高。

表6 PEN3 電子鼻傳感器敏感物質

圖4 電子鼻對韭菜樣品敏感物質的響應曲線

圖5 為利用100 s 時電子鼻中趨于穩(wěn)定的相對電導率繪制的4 個處理10 種風味物質的柱形圖。 其中氮氧化物(W5S)、硫化合物(W1W)、芳烴化合物和硫的有機化合物(W2W)是判斷韭菜風味的關鍵指標。 可知，W5S、W1W、W2W 均以藍光處理最佳，相對電導率分別為4.31、12.67、3.19，較白光分別提高4.9%、16.6%、9.2%，紅光和綠光處理的相對電導率都低于白光。 說明韭菜的特征風味可以因光質的變化而改變，并以藍光處理最佳。

圖5 100 s 時電子鼻對韭菜樣品敏感物質的響應

3 討論

3.1 不同LED 光質對水培韭菜生長及葉綠素熒光指標的影響

植株的生長發(fā)育、形態(tài)建成以及根系生長均受到光質的直接影響[25]。 本研究表明，紅光處理提高韭菜植株地上部干物質積累，增加葉片寬度，提高產量；藍光對株高、葉長起抑制作用，植株矮化，其原因可能是藍光處理使韭菜體內的吲哚乙酸氧化酶活性受到抑制進而影響韭菜長勢；綠光處理顯著增加韭菜莖部長度而徒長，長勢弱易倒伏，這與姜宗慶[26]在香椿芽苗菜、劉慧蓮等[27]在番茄幼苗上的研究結果一致。 韭菜產量受到地上部鮮重、株高、葉長、莖粗、葉片數等生長指標的影響，紅光促進韭菜地上部干物質積累，產量也隨干物質量的上升而增加。

本研究表明，與白光相比，紅光、藍光對韭菜葉片的葉綠素a、葉綠素b 含量均有顯著抑制作用，這與前人在蕹菜上的研究結果一致[28]。 綠光處理韭菜體內葉綠素含量顯著低于白光處理，這可能是由于綠光光譜中600 ～800 nm 和320 ～500 nm 兩個吸收區(qū)的光量較低，不利于葉綠素的形成。 本試驗中，綠光處理提高韭菜的qP 值，紅光和藍光處理降低qP 值且藍光的抑制更加顯著，這與吳艷等[29]在珙桐上的研究結果一致。 這是因為綠光能透過植株上層葉片激發(fā)低冠層葉片的光合能力，促進低冠層葉片的光合作用。 韭菜的Fv/Fm、Fv/Fo 紅光處理時下降、藍光處理時上升，這可能是因為PSⅡ受到藍光的激發(fā)后葉片的潛在活力增大。 不同光質處理間ФPSⅡ值差異不顯著，但以紅光處理最大，顯示韭菜葉片的ФPSⅡ受到光質的輕微調控，這跟紅桔、木荷、杉木幼苗[30-31]上的研究結果一致。

3.2 不同LED 光質對水培韭菜營養(yǎng)品質指標的影響

植物的次生代謝物VC、總酚和類黃酮具有較強的抗氧化能力，其含量受到光質的調控，是植物中重要的生物活性物質[32]。 由本試驗結果可知，藍光處理韭菜VC 含量顯著高于白光處理，可能是由于藍光提高韭菜體內的半乳糖內酯脫氫酶活性，繼而促進韭菜VC 合成，這與發(fā)芽大豆[33]、蘿卜芽苗菜[34]上的研究結果一致，與芹菜[35]上的研究結果不同，這可能與作物品種特性相關。 紅光處理使總酚和類黃酮含量顯著增加，這是因為紅光處理提高了韭菜的抗氧化能力，進而提高二者的含量；而綠光使類黃酮合成受阻，這是因為綠光處理下韭菜的抗氧化能力受到抑制；藍光下韭菜類黃酮和總酚含量下降，這與前人的研究結果一致[36]。

本試驗中，藍光下韭菜硝態(tài)氮含量顯著低于白光、紅光以及綠光處理。 有研究表明，硝酸還原酶活性極易受到光質的影響[37]，推測藍光處理下硝酸還原酶活性高于白光、紅光及綠色處理，從而降低植株體內的硝態(tài)氮含量。

植株的光合作用受到光質的直接影響，繼而影響葉片的光合產物轉運到根系，間接影響植株根系的生長和活力[38]。 本試驗結果表明，韭菜根系活力在紅光處理下顯著提高，藍光、綠光處理顯著下降，這與陳嫻[39]的研究結果一致。

從本研究結果可以看出，隨著白光、紅光、藍光、綠光處理時間延長，韭菜酶促丙酮酸含量在其生長期間波動變化，但總體呈降低趨勢，說明韭菜的辛辣性有降低趨勢。 造成酶促丙酮酸含量呈波動變化的原因可能是韭菜生長和品質指標建成之間相互轉化，表現為:處理10～13 d 間韭菜長勢較快，酶促丙酮酸含量下降也較快，造成體內CSOs含量表達不足，韭菜辛辣性減??；10 ～34 d 間，綠光處理下酶促丙酮酸含量從10.66 μmol/g 降至7.28 μmol/g，這和其他處理差異明顯，其原因可能是綠光造成韭菜徒長且后期養(yǎng)分積累受阻，進而造成辛辣性降幅增大。

電子鼻系統(tǒng)檢測中，W5S(氮氧化物)、W1W(硫化合物)、W2W(芳烴化合物和硫的有機化合物)為韭菜的特征性風味物質[40]。 本研究結果表明藍光處理提高韭菜中W5S、W1W、W2W 等關鍵風味物質含量。 有研究表明，紅光促進草莓果實中相關基因的表達，提高草莓香氣的組成與擴散，并提高草莓果實中烷烴、 醛類以及酸類物質[41-42]；而在本研究中紅光抑制韭菜特征性風味物質合成，這與前人的研究結果不一致，造成這樣的結果可能跟物種有關。 烷類(W1S)相對電導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]。 經過光的誘導，4 個處理韭菜中W1S 的相對電導率明顯高于韭菜的特征性風味指標，造成這樣的原因可能是光質促進烷類在植株體內的合成，但紅光、藍光以及綠光處理韭菜中W1S 的提升量低于白光處理，說明白光處理韭菜的成熟度大于其他單色光質處理，單色光質處理可以延長韭菜的種植時間。

4 結論

本試驗采用液培無土栽培方式在植物工廠中進行，設置光照強度為200 μmol/(m2·s)的白光、紅光、藍光及綠光處理，研究不同顏色光質對韭菜生長、產量、辛辣性、總酚、類黃酮含量以及風味成分的影響。 結果顯示，紅光對韭菜株高、葉長、葉寬、假莖粗和產量有促進作用，并增大地上地下部鮮重；紅光處理下韭菜總酚、類黃酮含量最高，可溶性蛋白、酶促丙酮酸含量較高，纖維素含量顯著低于白光處理，但硝態(tài)氮含量最高。 藍光處理下韭菜生長健壯，產量較高，可溶性蛋白、酶促丙酮酸、VC 含量最高，總酚、類黃酮含量較高，纖維素、硝態(tài)氮含量最少。 綜合分析，韭菜生產上，建議使用藍光進行處理，以實現較高產量、最優(yōu)品質及風味的有機結合。