植物工厂条件下5种十字花科蔬菜的生长和品质比较.pdf

2020 20 植物工厂条件下5种十字花科蔬菜的 生长和品质比较 武琳苑 李雅旻 刘厚诚 华南农业大学园艺学院 广东广州 510642 随着社会进步 全球经济的快速发展 人们的 生活水平不断提高 对生活品质要求逐渐提高 对 食品的要求不仅停留在绿色无污染的质量安全方 面 而且越来越关注蔬菜的营养与保健功能 蔬菜富含矿物质和营养物质 是人类摄入抗坏 血酸 类胡萝卜素 酚类等营养物质的主要来源 十 字花科蔬菜具有很强的抗氧化能力 是目前公认的 具有防癌 抗癌和美容效果的天然食物之一 十字 花科蔬菜中的萝卜硫素对肝癌 结肠癌 乳腺癌 前 列腺癌等有抑制作用 可诱导 Phase 型酶 激活抗 癌物质的产生 杀死白血细胞 1 增强人体免疫力 2 植物工厂水培蔬菜因具有安全 洁净 新鲜等特 征 越来越受到大众的关注 目前植物工厂栽培的作 物以生菜和香料作物为主 十字花科植物不多 由于 十字花科植物具有保健功能 有必要探索十字花科 基金项目 广东重点领域研发计划项目 2019B020214005 2019B020222003 武琳苑 1997 女 硕士 专业方向为设施蔬菜生理生态 E mail 1579767346 刘厚诚 1968 男 通讯作者 博士 教授 专业方向为蔬菜 生理生态 E mail liuhch 收稿日期 2020 09 01 摘 要 以 5种十字花科蔬菜 广府油菜心 千宝菜 黄叶白菜 白玫瑰白菜 龙湖 141 奶白菜 为试验材料 LED 白光 灯板作光源 PPFD 光合光量子密度 为 450 5 mol m 2 s 1 光周期为 12 h d 6 00 18 00 采收后 对蔬菜的生长 和品质进行了比较 以期找到较适合植物工厂系统生产的十字花科蔬菜品种 结果表明 黄叶白菜的产量 地上部鲜 质量 显著高于其他 4 种蔬菜 千宝菜的可溶性糖 抗坏血酸 可溶性蛋白和游离氨基酸含量较高 同时其抗氧化物 质类黄酮 总酚含量及 FRAP DPPH 抗氧化能力也显著优于其他蔬菜 十字花科蔬菜中硝酸盐含量与可溶性糖含量 呈负相关性 FRAP 类黄酮 多酚含量具有较强正相关性 5种十字花科蔬菜均适合于植物工厂生产 黄叶白菜具有 较高的产量 而千宝菜具有更高的营养和保健价值 关键词 广府油菜心 千宝菜 白菜 营养品质 人工光型植物工厂 中图分类号 S634 文献标识码 A 文章编号 1001 3547 2020 20 0041 05 DOI 10 3865 j issn 1001 3547 2020 20 014 华南农业大学园艺学院设施农业科学与工程系教授 广东省现代农业 设施园艺 科技创新中心主任 中国园艺学会设施园艺分会常务理事 中国 农业工程学会设施园艺工程专业委员会委员 中国照明学会电光源专业委员 会农业照明委员会副理事长 研究方向为设施园艺与植物工厂 蔬菜生理生 态 蔬菜优质高效生产原理与技术 主持国家重点研发计划项目课题 广东省 重点领域研发计划项目等 近年发表论文 50 多篇 其中 SCI EI 收录 10 多 篇 参编 中国蔬菜栽培学 第2版 蔬菜栽培学 面向21世纪教材 高 级蔬菜栽培生理 研究生教材 蔬菜优质高产栽培的理论基础 等 主编 中国野生蔬菜资源 优稀蔬菜栽培 野菜栽培与加工 获科技部 全国优 秀科技特派员 称号和广东省农业技术推广二等奖1项 刘厚诚 41 2020 20 表 2 植物工厂条件下 5种十字花科蔬菜营养品质比较 品种 可溶性糖 g kg 游离氨基酸 g kg 可溶性蛋白 g kg 硝酸盐 g g 广府油菜心 1 91 0 03 c 0 20 0 01 a 0 20 0 01 d 2 04 0 05 a 千宝菜 4 12 0 12 a 0 13 0 00 b 0 22 0 00 bc 1 24 0 02 d 黄叶白菜 3 28 0 21 b 0 13 0 00 b 0 21 0 01 c 1 40 0 05 c 白玫瑰白菜 3 09 0 07 b 0 13 0 01 b 0 23 0 00 b 1 56 0 03 b 龙湖奶白菜 3 03 0 16 b 0 12 0 00 b 0 25 0 00 a 1 57 0 01 b 品种 鲜质量 g 植株 地上部 根系 地上部 根系 广府油菜心 45 90 1 11 c 41 69 1 45 c 4 21 0 50 b 2 33 0 08 c 0 36 0 02 ab 千宝菜 71 61 2 61 b 63 91 2 66 b 7 70 0 28 a 3 21 0 14 b 0 45 0 06 a 黄叶白菜 100 66 5 75 a 91 91 5 92 a 8 75 0 83 a 4 06 0 16 a 0 38 0 05 a 白玫瑰白菜 64 49 2 74 b 58 80 2 65 b 5 68 0 56 b 3 13 0 12 b 0 40 0 05 a 龙湖奶白菜 48 99 1 41 c 43 88 1 53 c 5 12 0 49 b 2 38 0 20 c 0 24 0 02 b 表 1 植物工厂条件下 5种十字花科蔬菜生物量比较 干质量 g 植株 2 69 0 07 c 3 66 0 20 b 4 44 0 14 a 3 53 0 11 b 2 61 0 19 c 植物在植物工厂中的适用 品种和生长条件 本研究对 5 种十字花科蔬菜的生长 及品质进行了比较 以期为 植物工厂系统十字花科蔬 菜生产提供参考 1 材料与方法 1 1 试验材料与设计 试验于2019年6 7月 在华南农业大学试验植物工厂中开展 材料选用华 南地区常见的5种十字花科蔬菜 广府油菜心 千宝 菜 黄叶白菜 白玫瑰白菜 龙湖奶白菜 种子由广东 良种引进服务公司提供 种子播至育苗海绵块 25 催芽室催芽 子叶展开后移入植物工厂育苗架 幼苗长至 2 叶 1 心移植至 60 cm 90 cm 泡沫定植 板 每板24株 每种蔬菜3板 光源采用LED白光 灯板 PPFD Photosynthetic Photon Flux Density 光合 光量子密度 为 450 5 mol m 2 s 1 光周期为 12 h d 6 00 18 00 水培采用霍格兰氏营养液 每 1 h循环1次 温度为 25 2 相对湿度为65 1 2 测试方法 移苗定植培养40 d后取样 各处理随机取样18 株 3个重复 电子天平称鲜样质量 将植株于烘箱中 105 杀青40 min 75 烘干至恒重后 称量植株干样 质量 DPPH 自由基清除率测定参照 Tadolini 法 3 多酚含量测定参考Folin Cioealteu法 4 抗坏血酸含 量测定采用钼蓝比色法 5 类黄酮含量测定采用 Mashiba法 6 可溶性蛋白 可溶性糖 游离氨基酸 硝 酸盐含量测定采用李合生 7 方法 FRAP 值测定采用 Benzie法 8 各指标均重复测定 3 次 1 3 数据处理 采用 Excel 2013 进行数据处理 SPSS 22 0 软件 对 3 个重复的试验数据平均值进行统计 Duncan s 新复极差法进行多重比较和差异显著性分析 P 0 05 利用Origin 7 0软件绘图 XLSTAT 版本 进行 相关性分析 2 结果与分析 2 1 5种十字花科蔬菜的生物量比较 植物工厂条件下不同品种十字花科蔬菜的生 长及产量存在显著差异 表 1 其中 黄叶白菜的 地上部鲜质量显著高于其他 4种蔬菜 广府油菜心 最小 黄叶白菜比广府油菜心重120 47 其他 3 种蔬菜地上部鲜质量由大到下为 千宝菜 白玫瑰 白菜 龙湖奶白菜 根系鲜质量的表现趋势与地上 部鲜质量一致 黄叶白菜植株干质量高于其他4种 蔬菜 千宝菜 白玫瑰白菜植株干质量差异不显著 但显著高于广府油菜心和龙湖奶白菜 2 2 5种十字花科蔬菜的营养品质比较 5种十字花科蔬菜可溶性糖含量 表 2 差异明 显 千宝菜含量最高 3种白菜居中且差异不显著 广 府油菜心含量最低 千宝菜可溶性糖含量比广府油 菜心高115 19 游离氨基酸含量 广府油菜心最高 分别比千宝菜 黄叶白菜 白玫瑰白菜和龙湖奶白菜 高53 65 57 83 59 21 和70 18 其他4种蔬菜 间无显著差异 可溶性蛋白含量总体都不高 但龙湖 奶白菜可溶性蛋白含量显著高于其他4种蔬菜 硝 酸盐含量由高到低依次为 广府油菜心 龙湖奶白 菜 白玫瑰白菜 黄叶白菜 千宝菜 广府油菜心硝酸 盐含量分别比千宝菜 黄叶白菜 白玫瑰白菜和龙湖 奶白菜高64 47 46 64 30 86 和29 65 2 3 5种十字花科蔬菜抗氧化能力比较 植物工厂条件下不同品种十字花科蔬菜的抗 氧化能力存在差异 表 3 其中 抗坏血酸含量千 宝菜显著高于其他4种蔬菜 分别比黄叶白菜 广 府油菜心 龙湖奶白菜和白玫瑰白菜高 14 35 15 76 22 73 和34 11 白玫瑰白菜最低 广府油 菜心和黄叶白菜差异不显著 千宝菜和广府油菜心 注 同列数据后不同小写字母表示在 P白玫瑰白菜 龙湖 奶白菜 千宝菜类黄酮含量比龙湖奶白菜类高 121 14 广府油菜心和白玫瑰白菜的DPPH自由基 清除率显著高于其他3种蔬菜 白玫瑰白菜最高 黄 叶白菜最低 白玫瑰白菜比黄叶白菜高28 06 千宝 菜的 FRAP 抗氧化能力显著高于其他 4 种蔬菜 龙 湖奶白菜最低 千宝菜比龙湖奶白菜高55 2 2 4 十字花科蔬菜营养品质及抗氧化活性相关性 分析 XLSTAT相关性分析图 图1 2 可说明各变量之 间的关系 图中F 1 F 2 百分比表示主成分贡献率 横轴 坐标数值表示变量或观测对象与主成分因素之间的 相关性系数 图中2条射线夹角 90 的向量表示正 相关 2条射线夹角 90 的向量表示负相关 2条射线 夹角越接近90 的向量相关性越小 若两品种位于 同一象限 说明综合图中所测指标后两者具有相似 性 品种与所测指标向量的夹角大小说明含量多 少 夹角越大含量越少 反之 含量越多 若两品种与 向量夹角相似 则品种坐标与轴心的距离说明两者间 含量区别 靠近轴心的品种较另一品种含量少 从 5 种蔬菜营养品质相关性 图 1 分析可知 硝酸盐含量与游离氨基酸含量呈正相关性 可 溶性糖与硝酸盐 游离氨基酸含量呈负相关性 但可 溶性糖与硝酸盐呈强负相关性 可溶性蛋白与硝 酸盐含量几乎没有相关性 位于同一象限的龙湖 奶白菜和白玫瑰白菜在营养品质成分方面具有相似 性 可溶性蛋白含量比其他3种蔬菜高 龙湖奶白菜 坐标较白玫瑰白菜离轴心较远 说明可溶性蛋白较 高 黄叶白菜和千宝菜在营养品质成分方面具有 相似性且可溶性糖含量比其他3种蔬菜高 千宝菜 较黄叶白菜可溶性蛋白更高 广府油菜心游离氨基 酸含量比其他4种蔬菜高 从 5 种蔬菜的抗氧化物质与抗氧 化活性相关性 图 2 分析可知 DPPH FRAP 类黄酮 多酚 抗坏血 酸含量具有正相关性 但 FRAP 类黄 酮 多酚含量具有更强的正相关性 广府油菜心和千宝菜在同一象限 表 明 2 种蔬菜在抗氧化性方面相似 且 FRAP 类黄酮 多酚含量较其他 3 种蔬 菜多 千宝菜FRAP 类黄酮 多酚含量最多 间接表 示千宝菜抗氧化能力较其他 4 种蔬菜强 白玫瑰白 菜 龙湖奶白菜在抗氧化能力方面则不具优势 3 讨论与结论 本研究中 5种蔬菜生物量各不相同 根对植物 生长有着重要的作用 但影响根系发育的原因有许 多 如遗传因素 内源激素 土壤营养元素 生长条件 等 9 不同品种间产生的内源激素 对土壤中营养元 素的吸收转化 适应外界气候条件能力有所不同 都 会导致根部对地上部分的营养积累产生影响 叶片 大小 植株形态 光合作用与根系协同能力也影响着 叶片的生物量积累 本研究中5种蔬菜的生物量存 在差异 主要是由于遗传因素导致植株形态不同 不 表 3 植物工厂条件下 5种十字花科蔬菜抗氧化能力比较 品种 抗坏血酸 g kg 多酚 g kg 类黄酮 g kg DPPH 自由基 清除率 FRAP抗氧化 能力 mmol g 1 广府油菜心 0 31 0 00 b 0 58 0 01 a 1 46 0 01 a 85 69 0 55 a 9 62 0 06 c 千宝菜 0 36 0 00 a 0 57 0 02 a 1 51 0 04 a 74 32 3 23 b 12 37 0 42 a 黄叶白菜 0 32 0 00 b 0 48 0 01 b 1 30 0 04 b 67 50 2 87 c 10 36 0 29 b 白玫瑰白菜 0 27 0 00 d 0 37 0 01 c 0 96 0 03 c 86 44 0 40 a 8 90 0 10 c 龙湖奶白菜 0 29 0 00 c 0 35 0 00 c 0 68 0 01 d 72 23 0 59 bc 7 97 0 05 d F 1 72 13 F 1 1 9 1 5 F 1 与F 2 91 28 图1 十字花科蔬菜营养品质相关性分析 图2 十字花科蔬菜抗氧化物质与抗氧化活性相关性分析 F 1 74 81 F 2 1 4 0 3 F 1 与F 2 88 83 2020 20 43 同品种的根系与叶片有不同的吸收 同化能力 本研究结果表明 5种蔬菜的营养品质指标含量 具有显著差异 其中千宝菜的可溶性糖 抗坏血酸 可 溶性蛋白和游离氨基酸含量较高 且硝酸盐的含量最 低 黄叶白菜 龙湖奶白菜 白玫瑰白菜营养品质差异 不显著 但黄叶白菜单株质量最大 5种蔬菜中 广府 油菜心的营养品质相对较差 且硝酸盐含量较高 植 物体内蛋白质含量较低 同时硝酸还原酶的活性会受 到影响 10 但本试验发现 硝酸盐与可溶性蛋白的负相 关并不大 相反 硝酸盐含量与可溶性糖含量呈强负 相关性 图1 光合作用中氧化磷酸化与电解质平衡 和光合作用产物 如糖类 某些碳水化合物调节NR 基因转录和翻译水平提高了NR蛋白的有机物合成 从而达到降低硝酸盐的目的 11 12 所以硝酸盐的同化 不仅与某种物质有关 而且与植物体内有机物的含量 有关 本研究发现 可溶性蛋白 可溶性糖 游离氨基 酸含量都较高的千宝菜硝酸盐含量则较低 植物体内含有抗氧化物质 常见的有抗坏血 酸 类黄酮 类胡萝卜素等 对活性氧自由基具有清 除作用 13 14 从而延缓人体衰老 促进身体健康 本 研究发现 水培千宝菜抗坏血酸含量比基质栽培下 的千宝菜抗坏血酸 可溶性蛋白含量都高 15 因此 栽培方式对植物的营养物质积累也有很大的影响 千宝菜不仅抗坏血酸含量高于其他蔬菜 抗氧化物 质和抗氧化活性也具有明显优势 研究表明 植物中的抗氧化能力与酚类化合物呈 现较好的相关性 但不同蔬果的抗氧化能力又存在巨 大差异 多酚和抗坏血酸是生菜中的主要抗氧化活性 物 其抗氧化活性的贡献率分别为 64 和 3 2 24 5 16 黄酮化合物 花青素和酚酸是生菜中酚类的 主要组分 其中黄酮化合物含量最高 类黄酮已被证 实具有较强的抗氧化作用 17 18 能有效预防慢性疾 病 19 20 降低癌症风险 21 以及抵抗神经性 22 疾病 同时与 其他物质协同抗氧化 23 本研究发现 DPPH FRAP 类 黄酮 多酚 抗坏血酸含量具有正相关性 糖是酚类物 质合成的前体 可以提供能量和碳架 在多酚合成过程 中 糖还是一种渗透调节物质和信号分子 24 可上调酚 类合成酶的表达量 25 26 已有研究表明 蔗糖可促进多 酚类物质的积累 27 本研究中 可溶性糖含量较低的广 府油菜心抗氧化活性与千宝菜相当 可能是因为合成 类黄酮的物质不仅与糖有关 还与遗传 植物体内共同 产生类黄酮的协同物质含量 生长环境有关 以及抗氧 化活性的有效酚类种类和含量不同等因素 造成品种 间的类黄酮含量各不相同 研究表明 在生菜中 抗氧 化活性物还存在协同效应 如生菜中 生育酚和槲皮 素 其共同抗氧化活性大于两者活性之和 28 29 综上所述 黄叶白菜产量显著高于其他4种蔬 菜 但抗氧化活性及抗氧化物质含量不具明显优势 5 种蔬菜中 千宝菜的营养品质较好 硝酸盐含量最低 抗氧化能力显著优于其他蔬菜 千宝菜在植物工厂功 能性蔬菜种植与研究中具有很大潜力 改善光环境可 能对营养物质和抗氧化能力有更大的提高 参考文献 1 Jackson Steven J T Singletary Keith W Sulforaphane a naturally occurring mammary carcinoma mitotic inhibitor which disrupts tubulin polymerization J Carcinogenesis 2004 25 2 219 227 2 Farag M A Abdel Motaal A A Sulforaphane composition cytotoxic and antioxidant activity of cruciferous vegetables J Journal of Advanced Research 2010 1 65 70 3 Tadolino B Juliano C Piu L Resveratrol inhibition of lipid peroxidation J Free Radical Research 2000 33 105 114 4 Singleton V L Rossi J Colorimetry of total phenolics with phosphomolybdic phosphothungstic acid reagents J American Journal of Enology and Viticultue 1965 16 144 158 5 李军 钼蓝比色法测定还原型维生素 C J 食品科学 2000 8 42 45 6 凌关庭 抗氧化食品与健康 M 北京 化学工业出版社 2004 7 李合生 植物生理生化实验原理和技术 M 北京 高等教 育出版社 2000 8 Benzie I F Strain J J The ferric reducing ability of plasma FRAP as a measure of antioxidant power the FRAP assay J Analytical Biochemistry 1996 239 1 70 76 9 孙娇娇 蔬菜幼苗根系发育及钙调节作用 D 北京 中国农 业科学院 2019 10 Hogewoning S W Trouwborst G Maljaars H et al Blue light dose responses of leaf photosynthesis morphology and chemical composition of Cucumis sativus grown under different combinations of red and blue light J Journal of Experimental Botany 2010 61 11 3 107 3 117 11 Lillo C Appenroth K J Light regulation of 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extract from mulberry fruits J Pharmacognosy Magazine 2018 14 53 103 109 18 Kacem M Kacem I Simon G et al Phytochemicals and biological activities of Ruta chalepensis L growing in Tunisia J Food Bioscience 2015 12 73 78 19 董丽红 张瑞芬 苏东晓 等 食源性黄酮类化合物改善 脂质代谢作用及其机制研究进展 J 中国细胞生物学学 报 2016 38 1 81 90 20 Ramchoun M Harnafi H Alem C et al Hypolipidemic and antioxidant effect of polyphenol rich extracts from Moroccan thyme varieties J e SPEN Journal 2012 7 3 119 124 21 Srivastava S Somasagara R R Hegde M et al Quercetin a natural flavonoid interacts with DNA arrests cell cycle and causes tumor regression by activating mitochondrial pathway of apoptosis J Scientific Reports 2016 6 24 049 24 062 22 Serra A T Duarte R O Bronze M R et al Identification of bioactive response in traditional cherries from Portugal J Food Chemistry 2010 125 2 318 325 23 张佳欣 多酚类化合物协同抗氧化性研究进展 J 现代农 业研究 2020 49 1 117 118 121 24 Villadsen D Smith S M Identification of more than 200 glucose responsive Arabidopsis genes none of 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2020 20 Comparative Test of Growth and Quality of Five Cruciferous Vegetables in Artificial Light Plant Factory WU Linyuan LI Yamin LIU Houcheng College of Horticulture South China Agricultural University Guangzhou 510642 Abstract The growth and quality of 5 cruciferous vegetables Brassica campestris ssp chinensis var utilis cv Guangfu B oleracea B campeseris and three pakchoi B chinensis cultivars Huangye Baimeigui Longhu 141 were studied in artificial light plant factory under the condition of 12 h d 6 00 18 00 photopeirod 450 5 mol m 2 s 1 PPFD photosynthetic photon flux density and white light LED The results showed that the yield of Huangye was significantly higher than those of other four vegetables The contents of soluble sugar ascorbic acid soluble protein and free amino acid in B oleracea B campeseris were higher than those of other vegetables meanwhile the contents of flavonoids total phenols and the antioxidant abilities FRAP and DPPH were also significantly higher than those of other vegetables In cruciferous vegetables there were negative correlation between the contents of nitrate and soluble sugar and strongly positive correlation among FRAP flavonoids and polyphenols contents These 5 cruciferous vegetables are suitable for production in artificial light plant factory among them Huangye has a higher yield and B oleracea B campeseris has higher nutritional and health value Key words B campestris ssp chinensis var utilis cv Guangfu B oleracea B campeseris B chinensis Nutrition quality Artificial light plant factory 45