研究顯示，來自 Lumileds 的綠黃光、綠光及紫光 LED 可用以生產(chǎn)高產(chǎn)量的紅葉生菜，同時可提高對人類健康有益的必需營養(yǎng)素的濃度。
研究由紐約州特洛伊市倫斯勒理工學院照明驅動系統(tǒng)和應用中心 (LESA) 的高級研究員——Tessa Pocock 博士完成。
LED 正迅速成為室內園藝應用的首選光源，因為其能夠定制光譜以滿足相關植物的成長和營養(yǎng)需求——這是傳統(tǒng)園藝光源無法實現(xiàn)的。此外，與垂直農場和種植廠使用的熒光燈管相比，LED 的壽命更長，能源效率更高，極少需要維護，且對生長環(huán)境散發(fā)的熱量更少。
沙拉作物因其營養(yǎng)和健康益處而非熱量需求而被人們所食用。如果生長得當，它們可以成為營養(yǎng)物質的絕佳來源，如可幫助控制體內自由基破壞程度的抗氧化劑。在這項研究中，研究員監(jiān)測并量化了葉綠素以及兩種重要生物活性抗氧化劑——花青素和類胡蘿卜素的濃度。類胡蘿卜素是一類黃色和橙色色素，包括 β-胡蘿卜素(維生素 A 的前身)和玉米黃質及葉黃素，它們是保護視網(wǎng)膜免受高能輻射(如紫外線和藍光)的黃色色素。1 花青素是紅色、藍色及紫色色素，其攝取量與人體健康呈正相關，可治療視力障礙、預防神經(jīng)障礙、降低心血管疾病的發(fā)病率、提高認知能力及增強抗氧化保護。2 以前使用市售 LED 的研究顯示，在熒光粉轉換型 (PC) LED 照明下成長的許多綠葉蔬菜的葉子通常大而薄，且蒼白，葉綠素和花青素含量始終較低 3。
此項植物生長研究評估了 Lumileds 專為園藝設計的新型市售 PC LED(LUXEON SunPlus 系列)與 Valoya 和定制直接發(fā)射 RGB LED 相比之下的性能表現(xiàn)。目的是確定最近推出的熒光粉轉換型 (PC) LED 是否能提高紅葉生菜的產(chǎn)量，同時使包括花青素和類胡蘿卜素在內的關鍵營養(yǎng)素水平增高。研究檢測了紅葉生菜的產(chǎn)量(地上生物量)與營養(yǎng)質量之間的關系或平衡。
照明配置和方法
選擇光譜光子分布以在作物水平上提供光合光子通量密度 (PPFD)，燈具之間具有相同的紅色 (600-700 nm)、藍色 (400-500 nm) 及綠色 (500-600 nm) 波長范圍(光譜比值)輸出。在兩個環(huán)境受控的生長箱(Adaptis 1000，Conviron)內各安裝兩種燈具，通過設定光程序和/或調整作物距離使 PPFD 介于 217-242 μmol/m2s 之間(Figure 1)。測量生長箱中心及生長區(qū)域某一網(wǎng)格內的光譜光子分布，以檢查均勻性(Figure 2)。將光合有效輻射 (PAR) 的光譜比值設計為相同;20% 藍光 (400-500 nm)，20% 綠光 (500-600 nm) 及 60% 紅光 (600-700 nm)。但遠紅光區(qū)域 (700-800 nm) 的 PPFD 存在差異。在 RGB 直接照射光譜中不存在，但在 Valoya PC 中為 19 μmol，在 LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光燈具中為 25 μmol，在 LUXEON SunPlus 紫光 + LUXEON 3535L 綠光燈具中為 28 μmol，在 LUXEON SunPlus 紫光燈具中為 32 μmol。光分析表明，光譜和 PPFD 的均勻性從生長箱一側到另一側平均較差，而從前到后則明顯要好(Figure 3)。安裝較大的光條可改善這些均勻性的差異。光周期為 16小時/天，持續(xù) 14 天，日/夜溫度為 23°C/18°C，相對濕度在 50% 至 70% 之間。植物采用改良的 Hoagland 溶液施肥。進行三項獨立的重復操作，并確定光試驗之間的統(tǒng)計差異(KruskalWallis ANOVA，SigmaPlot v11)。收割具有最大光均勻性之生長區(qū)域的樣品進行測量。根據(jù) Pocock 中的方法用分光光度法對花青素濃度進行定量。3 根據(jù) Lichtenthaler 中的方法對類胡蘿卜素和葉綠素濃度進行定量。4
Figure 1：Rouxai 紅葉生菜在安裝有 LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光、LUXEON SunPlus紫光 + LUXEON 3535L 綠光、LUXEON SunPlus 紫光、Valoya 及 RGB 燈具的 Adaptis 生長箱內生長 14 天。
Figure 2：以每種光源的光子通量密度 (PFD) 來測量光譜光子分布。為了能夠進行統(tǒng)一的比較，研究人員在各生長箱中心的作物水平上測量 SPD。
Figure 3: 用生長室內的JAZ光譜儀測量的光柵. 從生長室的中心部分收成紅葉生菜以確保最高的光均勻性(PFD in μmol).
產(chǎn)量，植物健康和抗氧化劑
通過確定在不同光照處理下生長的紅葉生菜栽培品種 Rouxai 的鮮重 (g)、花青素、類胡蘿卜素和葉綠素濃度以及光化性來測定產(chǎn)量。在 LUXEON SunPlus 系列綠黃光 + 紫光和LUXEON SunPlus 紫光 + LUXEON 3535L 綠光 LED 及 Valoya 光照條件下生長的幼苗的產(chǎn)量明顯要高，其次是 LUXEON SunPlus 系列紫光 LED，再是 RGB(Figure 4)。與 LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光和 紫光 + 綠光 LED 及 Valoya 燈具下生長的生菜相比，后兩組條件下生長的生菜的鮮重偏低，這是因為缺乏遠紅光 (700-800 nm) 的輸出。遠紅光對細胞延長和葉片尺寸有著促進作用，這是公認的事實。與在 Valoya 燈具下生長的 Rouxai 生菜相比，LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光 LED、紫光 + 綠光LED 及 RBG 光譜下生長的生菜的花青素濃度明顯要高(Figure 5)。類胡蘿卜素的濃度不受光照處理的影響，此外，盡管并不顯著，但 LUXEON SunPlus 系列 LED 和 RGB LED 下生長的生菜的葉綠素濃度始終高于 Valoya 條件下生長的生菜(Figure 6 和Figure 7)。植物健康可以通過使用脈沖調幅葉綠素熒光儀的葉綠素熒光技術來測量 (PAM 2500, Walz, DE)5。植物健康 (FV/FM)、植物光轉換 (Y(II)) 及光保護 (NPQ) 的效率在健康范圍內，這表明，在這些研究中，光合作用(Figure 8)過程沒有壓力。植物適應所有光源。
Figure 4：生長 14 天后，使用 LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光、Valoya 和LUXEON SunPlus紫光 + LUXEON 3535L 綠光燈具的生長箱內的紅葉生菜產(chǎn)量(鮮重)最高。
Figure 5：LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光和紫光 + 綠光 LED 光照條件下生長的紅葉生菜的花青素濃度最高。
Figure 6：所有 LED 光照處理均對類胡蘿卜素濃度有促進作用。
Figure 7：RGB 和 LUXEON SunPlus 系列 LED 光照條件下生長的生菜的葉綠素濃度最高。
Figure 8：光化學結果表明，使用所有光源均可實現(xiàn)良好的植物健康 (Fv/Fm)、有效的光化學作用 Y(II) 及光保護機制 (NPQ)。
結論
綠葉蔬菜具備豐富的營養(yǎng)價值，是日常食用的理想作物。這項研究表明，在特定 LED 光譜條件下生長的紅葉生菜 Rouxai 有著明顯較高的產(chǎn)量及更高濃度的花青素和類胡蘿卜素。
LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光 LED 在產(chǎn)量(鮮重)和抗氧化劑含量方面表現(xiàn)最佳。這種光源的光譜包括遠紅光 (700-800 nm) 范圍波長的輸出，可以提高生菜產(chǎn)量。Valoya PC LED 條件下產(chǎn)生的綠葉產(chǎn)量相當，但從統(tǒng)計上看，抗氧化劑的含量較低，表明磷光體下轉換的光譜光子分布可能對作物質量有不同影響。總之，這些數(shù)據(jù)表明，使用 LUXEON SunPlus 綠黃光 + 紫光 LED 組合中具有強皇家藍光、綠光、深紅光及遠紅光組件的 PC LED 可優(yōu)化植物的生長和營養(yǎng)。
在產(chǎn)量(鮮重)和營養(yǎng)濃度方面均表現(xiàn)優(yōu)異的光譜為 LUXEON SunPlus 系列綠黃光 + 紫光及紫光 + 綠光 LED。要在室內環(huán)境中有效栽培 Rouxai 紅葉生菜和類似作物，使用 LUXEON SunPlus 系列綠黃光 + 紫光及紫光 + 綠光LED 可帶來明顯優(yōu)勢。
參考文獻
1. Krisky N.I.,Landrum J.T. and R.A. Bone.(2003) Biologic mechanisms of the protective role of lutein and zeaxanthin in the eye. Annual Review of Nutrition. 23:171-201.
2. Lila MA. Anthocyanins and human health: An in vitro investigative approach. Journal of Biomedicine and Biotechnology 2004. 5: 305-313.
3. Pocock, T. (2015) (2015) Advanced lighting technology in controlled environment agriculture. Lighting, Research and Technology. 12/2015; DOI: 10.1177/1477153515622681.
4. Lichtenthaler, H.K. and C. Buschmann (2001) Current Protocols in Food Analytical Chemistry F4.3.1-F4.3.8.
5. Maxwell, K and G.N. Johnson (2000) Chlorophyll fluorescence -- a practical guide. Journal of Experimental Botany. 51: 659-668.
