Effects of LED Light Exposure on Yield and Nutritional Quality of Pea Sprouts
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摘要: 探究LED红蓝复合光对豌豆芽苗菜产量和营养品质的影响，以期为豌豆芽苗菜工厂化生产的专用光源的研制提供依据。选取3种基因型豌豆品种，豌豆黑暗催芽后，进行LED白光及红蓝光比例为1：3、1：1、3：1等的4个光照处理。采用常温水培的方式，取照光5 d的豌豆芽苗菜的叶和茎，测定可食部分长、可食率等生长指标及抗氧化物质、可溶性蛋白等营养物质的含量。相比白光处理，红蓝3：1复合光显著提高了3种豌豆芽苗菜的可食率、全株鲜重等部分生长指标；同时也提高了可溶性糖、抗坏血酸等营养物质的含量；此外，不同的红蓝光比例影响不同，红光有利于豌豆芽苗菜的可溶性糖和抗氧化物质积累，蓝光有利于可溶性蛋白的积累。LED红蓝3：1复合光可有效提高豌豆芽苗菜的生长产量和营养品质，是培养豌豆芽苗菜的适宜LED红蓝复合光谱。Abstract: To determine the effects of light exposureon pea sprout cultivation and quality, different LED lamps were used on the peas of 3 genotypes. Sprouts were germinated in complete darkness, then, exposed to white (control)orred and blue LEDlampsin combination ratio of 1:3, 1:1 or 3:1 in a hydroponic bed at ambient temperature to grow for 5 d. Leaves and stems of the sprouts were collected for measurements on antioxidant, soluble sugars and soluble protein, as well as the growth indicators, such as length and percentage of edible portion. Compared to control, the 3:1 LEDcombination significantly increased the contents of ascorbic acid, soluble sugars, total phenols and flavonoids in the pea sprouts. Although blue LED tended to promote protein formation in the sprouts, it was concluded that a combined exposure to red and blue LED lamps in a ratio of 3:1 would best improve the overall growth and nutritional quality of the pea sprouts, and thus, recommended forlarge-scale application.
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Keywords:
- LED red and blue lamps /
- pea /
- antioxidant /
- soluble sugar /
- soluble protein
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豌豆芽苗菜又叫豌豆苗，是芽苗菜系列的一种。豌豆芽苗菜富含多种人体所需氨基酸和矿物质，如钙、钾、胡萝卜素等[1]，有利尿、消肿、止痛和助消化等医疗保健功能[2]。豌豆苗同时富含蛋白质、维生素C、维生素B和核黄素等营养物质，能够去除皮肤上过多的油脂而使皮肤柔腻润泽，富有美容功效[3]。芽苗菜营养丰富、风味独特，且在生产过程中不使用激素和农药，属于绿色食品[4]。
豌豆芽苗菜是一种绿化型蔬菜，光照对其生长及品质有很大的影响。光照既是植物光合作用的能量来源，也是调节植物生理活动的重要环境信号[5-6]。近年来LED光源发展迅猛，LED光质具有光谱能量调制便捷、节能环保、发热量少等优点[7-8]。红光和蓝光是植物吸收的主要光源，研究表明许多蔬菜在红蓝组合光下的生长营养状况优于在单色红光或蓝光下的生长营养状况。Wu等[7]的研究表明，红光处理能提高豌豆苗的抗氧化能力，增强其营养价值。陈祥伟等[9]认为与红蓝单色光及红蓝3:1相比，红蓝7:1有利于小白菜增加产量。徐文栋等[10]也指出红蓝比为3:1的LED复合光可以作为设施培育黄瓜幼苗的适宜光谱。尚文倩等[11]认为红蓝光比例为1:1时有利于铁皮石斛试管苗的生长、叶绿素合成及干物质和糖的积累。但是LED红蓝复合光对豌豆芽苗菜各品质营养指标的影响少有报道。本研究以3种不同基因型的豌豆为材料，研究不同比例LED红蓝复合光对豌豆芽苗菜营养品质的影响，以期为建立适宜豌豆芽苗菜工厂化生产的专用复合LED光源提供依据，达到有效改良豌豆芽苗菜的品质。
1. 材料与方法
1.1 试验材料
供试植物材料为江苏省农业科学院蔬菜研究所豆类作物研究室提供的3个豌豆品种：川豌6004、苏豌12054、苏豌麻豆。
1.2 试验方法
试验于2016年在江苏省农业科学院蔬菜研究所进行。试验共设4个处理，即LED白光(对照)及红蓝光比例为1:3、1:1、3:1的3个复合光照处理，每个处理3次重复。选取大小均匀、颗粒饱满、表面无虫眼的豌豆种子，按每盘约300 g称取，3个品种的4个处理共12盘，室温放置于塑料盘中无菌水浸种12 h，期间每3 h换水1次。浸种完成后将种子用无菌水冲洗干净，均匀摊放于铺有一层纱布的培养盘中，并在种子上边再铺一层纱布26℃条件下避光培养。待豌豆发芽长至2~3 cm露白时，将培养盘搬至智能培养箱，并设置3种比例的LED红蓝光进行照光培育，光照总强度是30 μmol·m-2 ·s-1，每天照射8 h，其他时间都处于黑暗。箱内温度白天设定为26℃，夜晚设定在22℃。照光处理5 d后，剪取豌豆可食部分置于液氮中快速冷冻，然后转移至-80℃冰箱保存，当取样全部结束时进行可食部分长、全株干重、鲜重、可溶性蛋白等生长和品质指标的测定。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 生长指标
使用直尺测量可食部分长，以芽苗根部以上至最新叶片生长处的高度为准。每盘芽苗菜按五点取样法贴近栽培纱布表面剪取20株，用0.00001 g天平称量干鲜重，其中测试干重先在烘箱105℃下杀青30 min，然后在55℃下烘至恒重称量。
可食率/%=(可食鲜质量/全株鲜质量)×100%
含水率/%=(全株鲜质量-全株干质量)/全株鲜质量×100%
1.3.2 品质指标
抗坏血酸含量：分光光度计法[12]测定；可溶性糖含量：蒽酮比色法[12]测定；可溶性蛋白含量：考马斯亮蓝G-250染色法[12]测定；可溶性总酚：Folin-Ciocalteu比色法[13]测定；总黄酮含量：硝酸铝比色法[14]。
1.4 统计分析
采用SPSS 21.0软件处理试验数据并进行显著性差异分析，处理间均值多重比较用Duncan′s新复极差法，试验结果为3次重复的平均值，不同字母表示在0.05水平下差异显著。
2. 结果与分析
2.1 不同比例的红蓝光处理对豌豆芽苗菜生长指标的影响
由表 1可知，相比于白光对照组，试验组红蓝复合光的处理提高了豌豆芽苗菜的生长指标。由数据可知，3个豌豆品种在红蓝3:1处理下的生长状态明显优于对照组生长状态，并有可食部分长、可食率和全株鲜重的指标达到了显著性差异。表明LED红蓝3:1光照显著提高了豌豆芽苗菜全株鲜重、可食部分长等生长产量指标。
表 1 不同LED光照对豌豆芽苗菜生长指标的影响Table 1. Effect of LED light exposure on growth indicators of pea sprouts品种 处理 全株鲜重
/g可食部分长
/cm可食鲜重
/g可食率
/%全株干重
/g含水率
/%苏豌12054 白光 17.26±0.63b 16.42±0.32c 7.89±0.43b 45.71±0.31b 1.77±0.03b 89.51±0.47ab 红蓝3:1 19.35±0.45a 18.28±0.37a 9.68±0.47a 50.02±0.27a 1.82±0.07a 90.59±0.24a 红蓝1:1 19.11±0.09a 17.13±0.19b 9.39±0.28a 49.13±0.46ab 1.80±0.16ab 90.58±0.08a 红蓝1:3 18.15±0.05ab 17.08±0.21b 8.67±0.13a 47.13±0.37ab 1.81±0.11ab 90.34±0.09a 川豌6004 白光 15.12±0.40b 16.68±0.12c 7.28±0.23b 48.15±0.21b 1.50±0.12b 90.08±0.13a 红蓝3:1 17.37±0.52a 18.45±0.48a 8.76±0.48a 50.43±0.68ab 1.71±0.09a 90.16± 0.68a 红蓝1:1 17.02±0.27a 17.39±0.26b 9.29±0.41a 54.58±0.49a 1.66±0.11ab 90.25±0.42a 红蓝1:3 16.96±0.22a 17.24±0.19b 8.57±0.28a 52.91±0.20a 1.68±0.32ab 90.23±0.39a 苏豌麻豆 白光 16.21±0.25b 15.33±0.08c 7.47±0.34b 46.08±0.09b 1.70±0.05b 89.51±0.11a 红蓝3:1 18.55±1.04a 17.37±0.21a 9.80±0.59a 52.83±0.28a 1.84±0.02a 90.08±0.05a 红蓝1:1 17.60±0.47ab 16.23±0.49b 9.36±0.40a 53.18±0.66a 1.81±0.06ab 89.72±0.34a 红蓝1:3 17.27±0.36ab 16.05±0.28b 9.12±0.310a 52.14±0.53a 1.80±0.11ab 89.47±0.36a 注：表中数据为平均数±标准差；且同列数据后小写字母表示在P＜0.05水平显著差异。 2.2 不同比例的红蓝光处理对豌豆芽苗菜可溶性糖含量的影响
如图 1所示，3个品种豌豆芽苗菜中可食部分的可溶性糖含量在红蓝光处理下上升，并与白光处理的对照组有显著差异。各个不同比例的红蓝光处理均显著提升了豌豆芽苗菜的可溶性糖含量，从3个品种的数据得出提升作用最显著的是比例为红蓝3:1的光照处理；其次是红蓝1:1的光照处理，从苏豌12054和苏豌麻豆的可溶性糖含量可以看出。但川豌6004红蓝1:1处理的可溶性糖含量显著低于红蓝1:3的光处理，这可能是不同豌豆品种间的差异造成的。最后红蓝1:3的光照处理也提高了可溶性糖含量，与白光对照组有显著差异。
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图 1 不同比例红蓝光照处理对可溶性糖含量的影响Figure 1. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on soluble sugar content of pea sprouts2.3 不同比例的红蓝光处理对豌豆芽苗菜可溶性蛋白含量的影响
如图 2所示，3个品种豌豆芽苗菜中可溶性蛋白的含量在红蓝光处理下上升，其中红蓝1:3、红蓝1:1的复合光照处理与白光处理的对照组有显著差异。相比于白光，各个不同比例的红蓝光处理均提高了豌豆芽苗菜的可溶性蛋白含量，其提高作用由强至弱依次是红蓝1:3、红蓝1:1及红蓝3:1。其中红蓝3:1复合光照下的可溶性糖含量在苏豌12054和川豌6004芽苗菜中与白光处理的无显著性差异，但在苏豌麻豆芽苗菜中有显著性提高。蓝光比例大对可溶性蛋白含量的提升作用更明显，红蓝1:3的复合光照处理下，3品种豌豆芽苗菜可食部分的可溶性蛋白含量：苏豌12054>川豌6004>苏豌麻豆。
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图 2 不同比例红蓝光照处理对可溶性蛋白含量的影响Figure 2. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on soluble protein content of pea sprouts2.4 不同比例的红蓝光处理对豌豆芽苗菜抗氧化物质含量的影响
2.4.1 对豌豆芽苗菜抗坏血酸含量的影响
如图 3所示，3个品种豌豆芽苗菜中抗坏血酸的含量，相比于白光对照组，各个红蓝复合光处理下的抗坏血酸含量明显上升，均达到显著性差异。从3个品种的数据得出抗坏血酸含量提升作用最显著的是比例为红蓝3:1的光照处理，其次是红蓝1:1光照处理。然而由数据图看出在红蓝1:1的光照处理后，川豌6004和苏豌12054芽苗菜可食部分的抗坏血酸含量在红蓝1:1和红蓝1:3处理下差异不显著，但苏豌麻豆中有显著提高，这体现豌豆种子在不同光质处理下产生的差异。
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图 3 不同比例红蓝光照处理对抗坏血酸含量的影响Figure 3. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on ascorbic acid content of pea sprouts2.4.2 对豌豆芽苗菜可溶性总酚含量的影响
如图 4所示，3个豌豆品种的芽苗菜中可食部分的可溶性总酚含量在红蓝光处理下有提升，并与白光处理的对照组有显著差异。各个不同比例的红蓝光处理均显著提升了豌豆芽苗菜的可溶性总酚含量。从3个品种的数据得出提升作用由强到弱依次是红蓝3:1、红蓝1:1、红蓝1:3的复合光处理。其中苏豌12054芽苗菜的可溶性总酚含量在红蓝1:1和红蓝1:3处理下无显著性差异。红光比例大有利于可溶性总酚含量的提高，3品种豌豆芽苗菜在红蓝3:1的复合光处理下可溶性总酚含量达到最大值，其中苏豌麻豆芽苗菜中含量最高。
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图 4 不同比例红蓝光照处理对可溶性总酚含量的影响Figure 4. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on total soluble phenol content of pea sprouts2.4.3 对豌豆芽苗菜总黄酮含量的影响
由图 5可知，3个品种豌豆芽苗菜可食部分的总黄酮含量对红蓝光质的响应略有不同。3个品种豌豆芽苗菜在红蓝3:1和红蓝1:1复合光照处理下的总黄酮含量有提升，并与白光处理的对照组有显著差异；然而在红蓝1:3复合光处理后，相比于白光处理组，川豌6004和苏豌12054豌豆芽苗菜中总黄酮的含量并没有明显提高甚至有轻微下降，但在苏豌麻豆芽苗菜明显提升。
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图 5 不同比例红蓝光照处理对总黄酮含量的影响Figure 5. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on total flavonoids content of pea sprouts3. 讨论与结论
在各环境因素中，光对植物的生长发育及其功能性化学物质积累起到重要作用[15-16]。LED光质对植物的生长发育和形态建成具有显著影响[17]，可溶性糖主要为葡萄糖、果糖和蔗糖，易于人体吸收。本试验表明，与白光(对照)相比，红光比例大的红蓝3:1处理能最显著提高豌豆芽苗菜的可溶性糖含量，这与蒲高斌等[20]的研究结果相一致。红光显著促进萝卜芽苗菜的生长[18-19]，红光显著促进叶片的可溶性糖积累，可能与红光下植物的光合速率较高有关[21]。另外，可溶性糖是渗透调节的物质，在信号转导中起着重要的作用，能够以类似植物激素的方式作为一种信号分子存在，在植物的生长发育等许多过程中发挥调控作用[22]。
前人报道蓝光可显著促进线粒体的暗呼吸，呼吸过程中的有机酸为有机含氮化合物合成提供了碳架，促进了蛋白质的合成[23]。可溶性蛋白含量与植物的抗性密切相关。本试验中，可溶性蛋白含量在蓝光比例最大的红蓝1:3处理下达到最大值，红蓝1:1处理次之，说明相比于白光和红光，蓝光更有利于可溶性蛋白的合成，这与唐大为等[24]对黄瓜、尚文倩[11]等对铁皮石斛试管苗及黄枝等[25]对豌豆芽苗菜的研究结果一致。
抗氧化物质是植物抗氧化系统的重要组分，包括抗坏血酸[也称维生素C(Vc)]、酚类物质、类黄酮类、谷胱甘肽及维生素E等。酚类物质、总黄酮和花青素与蔬菜的色泽发育、品质和风味形成、抗逆性和抗病性代谢等密切相关[12]。总黄酮具有抗氧化、抗炎、抗癌及降血糖的作用，对体外蛋白质也具有非霉糖基化的抑制作用等。Vc是人体营养中最重要的维生素之一，植物性食物是人体所需Vc的主要来源[26]。前人分别在黄瓜、豌豆、大蒜愈伤组织和叶用莴苣上的研究认为，红光可促进Vc的合成和累积。本试验中，Vc、可溶性总酚、总黄酮等抗氧化物质的含量均以红光比例最大的红蓝3:1处理后增加效果最明显，也说明红光比例大的光质组合有利于豌豆芽苗菜抗氧化类物质的积累。这与汪玉洁等[27]对豌豆芽苗菜的研究结果一致。
综上可知，红蓝复合光对豌豆芽苗菜的可溶性糖、可溶性蛋白和抗氧化物质的含量有显著的影响。通过研究不同比例的红蓝光照下3种豌豆芽苗菜各营养指标的含量可知：相比于白光处理(对照)，红蓝3:1复合光显著提高了3种豌豆芽苗菜的可溶性糖、Vc、总酚及总黄酮的含量，红蓝1:1和红蓝1:3次之；但红蓝1:3复合光处理下，有些品种豌豆芽苗菜中总黄酮含量相比于对照提高不显著甚至有些微降低，这可能是由不同的豌豆品种间差异造成；而红蓝1:3复合光处理下，豌豆芽苗菜的可溶性蛋白含量最高，红蓝3:1处理则与白光差异不显著。综上表明，红光有利于豌豆芽苗菜的可溶性糖和抗氧化物质积累，蓝光有利于可溶性蛋白的积累。LED红蓝3:1复合光对豌豆芽苗菜营养品质提高较有效，是培养豌豆芽苗菜的适宜LED红蓝复合光谱。本试验从生理生化方面研究了LED红蓝复合光质对豌豆芽苗菜营养品质的影响，为豌豆芽苗菜的红蓝复合光照技术提供了生理生化指标的理论支持，而豌豆芽苗菜在LED红蓝复合光处理下的适宜光照周期等还需进一步研究。
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图 1 不同比例红蓝光照处理对可溶性糖含量的影响
Figure 1. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on soluble sugar content of pea sprouts
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图 2 不同比例红蓝光照处理对可溶性蛋白含量的影响
Figure 2. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on soluble protein content of pea sprouts
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图 3 不同比例红蓝光照处理对抗坏血酸含量的影响
Figure 3. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on ascorbic acid content of pea sprouts
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图 4 不同比例红蓝光照处理对可溶性总酚含量的影响
Figure 4. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on total soluble phenol content of pea sprouts
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图 5 不同比例红蓝光照处理对总黄酮含量的影响
Figure 5. Effect of varied combinations of red and blue LED lamps on total flavonoids content of pea sprouts
表 1 不同LED光照对豌豆芽苗菜生长指标的影响
Table 1 Effect of LED light exposure on growth indicators of pea sprouts
品种 处理 全株鲜重
/g可食部分长
/cm可食鲜重
/g可食率
/%全株干重
/g含水率
/%苏豌12054 白光 17.26±0.63b 16.42±0.32c 7.89±0.43b 45.71±0.31b 1.77±0.03b 89.51±0.47ab 红蓝3:1 19.35±0.45a 18.28±0.37a 9.68±0.47a 50.02±0.27a 1.82±0.07a 90.59±0.24a 红蓝1:1 19.11±0.09a 17.13±0.19b 9.39±0.28a 49.13±0.46ab 1.80±0.16ab 90.58±0.08a 红蓝1:3 18.15±0.05ab 17.08±0.21b 8.67±0.13a 47.13±0.37ab 1.81±0.11ab 90.34±0.09a 川豌6004 白光 15.12±0.40b 16.68±0.12c 7.28±0.23b 48.15±0.21b 1.50±0.12b 90.08±0.13a 红蓝3:1 17.37±0.52a 18.45±0.48a 8.76±0.48a 50.43±0.68ab 1.71±0.09a 90.16± 0.68a 红蓝1:1 17.02±0.27a 17.39±0.26b 9.29±0.41a 54.58±0.49a 1.66±0.11ab 90.25±0.42a 红蓝1:3 16.96±0.22a 17.24±0.19b 8.57±0.28a 52.91±0.20a 1.68±0.32ab 90.23±0.39a 苏豌麻豆 白光 16.21±0.25b 15.33±0.08c 7.47±0.34b 46.08±0.09b 1.70±0.05b 89.51±0.11a 红蓝3:1 18.55±1.04a 17.37±0.21a 9.80±0.59a 52.83±0.28a 1.84±0.02a 90.08±0.05a 红蓝1:1 17.60±0.47ab 16.23±0.49b 9.36±0.40a 53.18±0.66a 1.81±0.06ab 89.72±0.34a 红蓝1:3 17.27±0.36ab 16.05±0.28b 9.12±0.310a 52.14±0.53a 1.80±0.11ab 89.47±0.36a 注：表中数据为平均数±标准差；且同列数据后小写字母表示在P＜0.05水平显著差异。 
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