基于Taguchi方法的LED光質對生菜保鮮效果的影響

侯一曼，文尚勝,2，蔡明興，靳肖林，左 欣

(1.華南理工大學材料科學與工程學院，廣東 廣州 510640；2.華南理工大學發光材料與器件國家重點試驗室，廣東 廣州 510640)

引言

生菜不僅富含各種膳食纖維和維生素C，而且具有輔助治療神經衰弱、有利于促進血液循環等作用[1]。生菜在采摘后的保鮮問題一直是影響生菜品質的關鍵環節，生菜在保鮮過程中保鮮效果的好壞主要通過生菜的失重率，視覺上的葉片黃化面積來反映，如今各種用來延長生菜保鮮品質的儲存技術已經被廣泛研究，例如氣調保鮮、輻照處理保鮮、低溫保鮮、熱處理保鮮等等[2]。盡管采用冷藏運輸是保持生菜視覺質量的有效技術，但是在發展中國家冷凍儲存或冷凍鏈設施并不常用。在中國，生菜在收割之后總是在室溫下處理、儲存或運輸。因此，有必要找到新的技術來延長生菜在環境儲存溫度下的保質期。

光是一種最重要的影響植物組織中植物化學物質含量的環境因素。熒光燈和金屬鹵化物燈是溫室中廣泛使用的人工補光。研究發現，持續光照有助于延長鮮切蔬菜的保質期[3]。因此用光處理采摘后的生菜應具有相同的效果。而LED憑借其光譜的可調控性，以及亮度、色溫等光度學參量的可控性在現代農業迅猛發展的今天將具有廣闊的應用前景[4]。另外，近期有研究表明對大麥葉、菠菜和小松菜等蔬菜在其收割后對其進行光處理有助于提高其抗氧化能力。但是目前的研究并沒有針對某一種蔬菜，研究適用于其保鮮的最佳光質、光周期以及光強，因此在LED對于改善蔬菜保鮮效果的領域依舊存在很大的研究空間。

Taguchi實驗因為其實用性強，被廣泛應用于多參數優化設計的實驗上[5]。本文以生菜為研究對象，利用Taguchi方法設計實驗，研究光質、光周期以及光強對于生菜保鮮效果的影響，最后通過ANOVA理論分析得出對生菜保鮮效果影響最大的因子，并進一步對該因子進行優化。

1 測定指標和實驗設計

1.1 測定指標和實驗材料

在生菜采摘后的保鮮過程中植物體內的呼吸作用不斷的加強，在這一過程中植物體內的營養物質在呼吸作用的過程中不斷被消耗，并且還伴隨著一定程度的氧化分解，同時生菜在此過程中生物合成能力減弱，分解能力增強，導致采摘后組織衰老加快[6]。植物在保鮮的過程中總體上的表現為重量的不斷衰減，因此蔬菜的失重率是評價植物保鮮效果的重要因素，也是本文的主要研究對象，其計算式如式(1)所示。

(1)

其中mi為第i天蔬菜的質量，m0為植物的初始重量。在已有的研究中Kim等[7，8]已經證實紅藍光處理采摘后的萵苣，有利于緩解其葉綠素等物質的降解，本文將在此基礎上綜合考慮光照期，光質，以及光照強度，探究上述三個因素對于生菜保鮮過程中失重率的影響。

本實驗于2017年7月23日至8月23日在搭建的植物照明實驗室中進行，所用的生菜為剛剛從市場上購買的新鮮健康的生菜。所使用的LED光源為深圳某公司生產的LED植物補光燈，該植物燈為紅藍全波段配置，紅光波長620～630 nm，650～660 nm藍光波長為450～460 nm，460～470 nm。

1.2 使用Taguchi方法設計實驗

使用Taguchi方法實驗設計，首先是要選定品質特性及判定品質特性的理想機能。對于生菜保鮮效果的問題，其品質特性主要是上文提到的是失重率。在設計實驗時，為了有效評判實驗的結果，一定要對品質特性確定合適的目標值來指導控制因子水準的調試。因此，在選定好品質特性后，要列出影響此品質的控制因子，并定出它們的水準。光質、光強、光周期對植物生理反應的觸發、生長發育的控制有深刻的影響[9-11],因此本研究將以上三個因子列為控制因子。進一步根據上述因子指定合適的水準，依照因子及其水準的數目制定適當的直交表。本設計中影響生菜保鮮效果的因子有3個，每個因子有3個水準，采用L9(34)直交矩陣。采用普通方法完成這種實驗需要34次，而利用Taguchi方法設計實驗，只要9次即可，大大減少實驗時間。完成實驗后，通過計算S/N比例(品質特性數量化)以及ANOVA數據分析，辨別各因子對品質特性變異的效應，并應用貢獻度來彌補實驗無法辨別各實驗參數對品質特性的影響力及誤差程度等方面的不足。最后，對新的設計值作確認實驗。

如在該研究過程中，光周期、光質、照度分別記為因子A、B、C。因子A的三個水準分別為6 h/24 h,9 h/24 h,12 h/24 h;因子B的三個水準分別為紅光(R)，紅+藍(R+B)，藍光B；因子C的三個水準分別為15 000 lx,20 000 lx,25 000 lx。直角表實驗設計如表2所示，共需進行9組實驗，在實驗過程中將1～3組、2～5組、6～9組放在一起進行實驗，每次實驗4 d，共需進行12 d。實驗于2017年7月23日至8月23日在搭建的植物照明實驗室中進行，所用的生菜為剛剛從市場上購買的新鮮健康的生菜。實驗過程中于每天9:00打開光源，并對當天實驗室內的溫濕度進行測量，12 d內室內相對濕度基本在60%±0.5%范圍內，溫度的變化如圖1所示，基本上室內溫度恒定在(11±1) ℃的范圍內；所使用的三組燈具為R，B，R+B。

表1 影響因子及其控制水準

表2 采用L9(34)直角表實驗設計

圖1 12 d內室內溫度的變化Fig.1 Change of indoor’s temperature in 12 days

2 實驗與分析

2.1 實驗數據分析

根據上文，列出設計的實驗方案如表2所示。表2還包括實驗得出的生菜的失重率，另外，對應的S/N值也在表格中列出。所述S/N值，根據品質特性形態，可分兩種類型進行計算[5]：

1)望大特性，其品質特性是越大越好，也就是品質特性的理想機能無限大。其LTB(S/N)公式為

(2)

2)望小特性，其品質特性是越小越好，也就是品質特性的理想機能為零。其STB(S/N)公式為

(3)

其中yi表示第i個品質特性，n為實驗次數。

本試驗的品質特性為生菜保鮮4 d后的失重率，對于此品質特性，希望機能是越小越好，所以采用望小特性計算S/N值，圖2給出各水準的S/N值的統計圖，由于望小特性中的S/N值全部為負值，因此為了更為直觀的觀察，將S/N值取絕對值，可以很清晰的分析出不同水準影響失重率的效果。通過圖3分析可知，最優組合為A3B2C2，也即在本實驗中光周期12 h/24 h，光質為R+B,光照度為20 000 lx處理下生菜的保鮮效果最好。

圖2 各水準對應的S/N值Fig.2 S/N of different factors

2.2 變異數分析(Analysis of Variance，ANOVA)

采用ANOVA方法進一步分析估量各因子對品質影響的貢獻度。ANOVA的首要目的是評估實驗誤差并以百分比的方式來協助判斷。在Taguchi方法中，常將交互作用視為誤差的一部分，當因子效應和實驗誤差比較起來足夠大時，才認定此因子效應為“有意義的”或是“重要的”。有了實驗誤差后，可以評估每一個因子效應相對于實驗誤差的“重要性”。只有“重要性”達到某一程度的因子效應，才會被用在預測的公式中，其他“重要性”不足以達到該程度的因子效應則視為可能只是實驗誤差造成的偶發現象。“重要性”的強弱通過采用參數ρ表示[12]：

(4)

SST=SSd+SSe

(5)

其中SSd表示方差和，SSe表示錯誤的方差和(考慮到在本次分析中，SSe接近為0，因為仿真的錯誤率極低，具有可重復性)。方差SST由S/N比的方差和給出：

(6)

其中m是實驗數，ηi是每個因子第i次實驗的S/N比，ηm為S/N值的平均值，在本實驗中η=LTB(S/N)。

表3為各因子對失重率的貢獻度。結果表明，LED光質對于失重率的影響最強烈(因子B，72.17%)；照度次之(因子C，18.99%)；光周期排在最后(因子A，8.84%)。光周期和照度對于失重率的影響均不足20%，因此在進一步研究的過程中主要需要研究LED光質對于失重率的影響。

表3 各因子對失重率的貢獻率

2.3 最佳光質比的探究

在以上研究內容的基礎上，控制光周期為12 h/24 h，控制照度為20 000 lx，分別為紅(R)，藍(B)，紅藍光質比(R∶B)分別為2∶1，7∶2，6∶1的5組光源處理采摘后的生菜9天(這9天中溫度的變化如圖3所示，濕度基本在60%±0.5%)，每天9:00打開光源，并且在測量失重率外，觀察并記錄保鮮過程中生菜菜葉視覺效果的變化,最終得到如圖4所示的各個光源處理下生菜失重率的變化圖以及表4所示生菜9天中視覺效果的變化情況。由圖4我們發現，在不同光質的LED光源處理兩天后失重率的變化開始出現差異，在第3天(R+B)處理的生菜的失重率要小于R或B單獨處理時生菜的失重率，在第4天之后(R∶B=6∶1)的光源處理的生菜的失重率迅速增加，并在第6天時幾乎與R，B單獨處理的失重率幾乎一樣，而在第3天之后(R∶B=7∶2)，(R∶B=2∶1)的光源處理的生菜其失重率均遠低于R，B，(R∶B=6∶1)組，并且失重率的值以及變化趨勢幾乎相同，同時在第5、第6、第8、第9天(R∶B=2∶1)組的失重率要略低于(R∶B=7∶2)組。表4中所示的9天中生菜視覺效果的變化基本與圖4相吻合，由表4可以發現，單獨用R或者B處理的生菜保鮮效果幾乎一致，并且低于(R+B)處理下的生菜，而在(R+B)的光源中(R∶B=6∶1)略好于R和B單獨處理，(R∶B=7∶2)和(R∶B=2∶1)處理下的保鮮效果要遠好于(R∶B=6∶1)組，并且兩者處理下的保鮮效果差別不大。按照各個光源處理下的保鮮效果排序依次為(R∶B=7∶2)≈(R∶B=2∶1)>(R∶B=6∶1)≥R≈B。

圖3 9天內室內溫度的變化Fig.3 Change of indoor’s temperature in 9 days

圖4 9天中5組不同光源處理下生菜的失重率變化情況Fig.4 Every-day’s weightlessness rate for different sources in 9 days

表4 9天中5組不同光源處理下生菜的視覺效果的變化

3 結論

本文利用Taguchi方法設計實驗探究了光周期、LED光質，以及光照強度三個影響因子對于生菜保鮮過程中失重率的影響，經過ANOVA分析方法對因子的影響程度進行分析，分析表明：在上述三個因子中，LED光質對于失重率的影響占72.17%，照度次之占18.99%，光周期排在最后占8.84%；并且照度和光周期的影響十分微小均不足20%。進一步為了探究LED光質對于失重率的影響，在最佳光周期12 h/24 h和最佳光照度20 000 lx下，設置了五組紅藍光質比不同的LED光源(分別為R， B，R∶B=6∶1，R∶B=2∶1，R∶B=7∶2)處理生菜9天，結果表明這五組光源的保鮮效果排序依次為(R∶B=7∶2)≈(R∶B=2∶1)>(R∶B=6∶1)≥R≈B。綜合本文所有研究工作表明，生菜在紅藍光質比為R∶B=7∶2或者R∶B=2∶1的光源照射下，光周期12 h/24 h，照度20 000 lx處理下其保鮮過程中重量的損失最小，保鮮效果最好。而LED光質對于保鮮過程中生菜各類營養物質衰減的影響還有待進一步研究。

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