基于Taguchi方法的LED光质对生菜保鲜效果的影响

侯一曼，文尚胜,2，蔡明兴，靳肖林，左 欣

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广东 广州 510640；2.华南理工大学发光材料与器件国家重点试验室，广东 广州 510640)

引言

生菜不仅富含各种膳食纤维和维生素C，而且具有辅助治疗神经衰弱、有利于促进血液循环等作用[1]。生菜在采摘后的保鲜问题一直是影响生菜品质的关键环节，生菜在保鲜过程中保鲜效果的好坏主要通过生菜的失重率，视觉上的叶片黄化面积来反映，如今各种用来延长生菜保鲜品质的储存技术已经被广泛研究，例如气调保鲜、辐照处理保鲜、低温保鲜、热处理保鲜等等[2]。尽管采用冷藏运输是保持生菜视觉质量的有效技术，但是在发展中国家冷冻储存或冷冻链设施并不常用。在中国，生菜在收割之后总是在室温下处理、储存或运输。因此，有必要找到新的技术来延长生菜在环境储存温度下的保质期。

光是一种最重要的影响植物组织中植物化学物质含量的环境因素。荧光灯和金属卤化物灯是温室中广泛使用的人工补光。研究发现，持续光照有助于延长鲜切蔬菜的保质期[3]。因此用光处理采摘后的生菜应具有相同的效果。而LED凭借其光谱的可调控性，以及亮度、色温等光度学参量的可控性在现代农业迅猛发展的今天将具有广阔的应用前景[4]。另外，近期有研究表明对大麦叶、菠菜和小松菜等蔬菜在其收割后对其进行光处理有助于提高其抗氧化能力。但是目前的研究并没有针对某一种蔬菜，研究适用于其保鲜的最佳光质、光周期以及光强，因此在LED对于改善蔬菜保鲜效果的领域依旧存在很大的研究空间。

Taguchi实验因为其实用性强，被广泛应用于多参数优化设计的实验上[5]。本文以生菜为研究对象，利用Taguchi方法设计实验，研究光质、光周期以及光强对于生菜保鲜效果的影响，最后通过ANOVA理论分析得出对生菜保鲜效果影响最大的因子，并进一步对该因子进行优化。

1 测定指标和实验设计

1.1 测定指标和实验材料

在生菜采摘后的保鲜过程中植物体内的呼吸作用不断的加强，在这一过程中植物体内的营养物质在呼吸作用的过程中不断被消耗，并且还伴随着一定程度的氧化分解，同时生菜在此过程中生物合成能力减弱，分解能力增强，导致采摘后组织衰老加快[6]。植物在保鲜的过程中总体上的表现为重量的不断衰减，因此蔬菜的失重率是评价植物保鲜效果的重要因素，也是本文的主要研究对象，其计算式如式(1)所示。

(1)

其中mi为第i天蔬菜的质量，m0为植物的初始重量。在已有的研究中Kim等[7，8]已经证实红蓝光处理采摘后的莴苣，有利于缓解其叶绿素等物质的降解，本文将在此基础上综合考虑光照期，光质，以及光照强度，探究上述三个因素对于生菜保鲜过程中失重率的影响。

本实验于2017年7月23日至8月23日在搭建的植物照明实验室中进行，所用的生菜为刚刚从市场上购买的新鲜健康的生菜。所使用的LED光源为深圳某公司生产的LED植物补光灯，该植物灯为红蓝全波段配置，红光波长620～630 nm，650～660 nm蓝光波长为450～460 nm，460～470 nm。

1.2 使用Taguchi方法设计实验

使用Taguchi方法实验设计，首先是要选定品质特性及判定品质特性的理想机能。对于生菜保鲜效果的问题，其品质特性主要是上文提到的是失重率。在设计实验时，为了有效评判实验的结果，一定要对品质特性确定合适的目标值来指导控制因子水准的调试。因此，在选定好品质特性后，要列出影响此品质的控制因子，并定出它们的水准。光质、光强、光周期对植物生理反应的触发、生长发育的控制有深刻的影响[9-11],因此本研究将以上三个因子列为控制因子。进一步根据上述因子指定合适的水准，依照因子及其水准的数目制定适当的直交表。本设计中影响生菜保鲜效果的因子有3个，每个因子有3个水准，采用L9(34)直交矩阵。采用普通方法完成这种实验需要34次，而利用Taguchi方法设计实验，只要9次即可，大大减少实验时间。完成实验后，通过计算S/N比例(品质特性数量化)以及ANOVA数据分析，辨别各因子对品质特性变异的效应，并应用贡献度来弥补实验无法辨别各实验参数对品质特性的影响力及误差程度等方面的不足。最后，对新的设计值作确认实验。

如在该研究过程中，光周期、光质、照度分别记为因子A、B、C。因子A的三个水准分别为6 h/24 h,9 h/24 h,12 h/24 h;因子B的三个水准分别为红光(R)，红+蓝(R+B)，蓝光B；因子C的三个水准分别为15 000 lx,20 000 lx,25 000 lx。直角表实验设计如表2所示，共需进行9组实验，在实验过程中将1～3组、2～5组、6～9组放在一起进行实验，每次实验4 d，共需进行12 d。实验于2017年7月23日至8月23日在搭建的植物照明实验室中进行，所用的生菜为刚刚从市场上购买的新鲜健康的生菜。实验过程中于每天9:00打开光源，并对当天实验室内的温湿度进行测量，12 d内室内相对湿度基本在60%±0.5%范围内，温度的变化如图1所示，基本上室内温度恒定在(11±1) ℃的范围内；所使用的三组灯具为R，B，R+B。

表1 影响因子及其控制水准

表2 采用L9(34)直角表实验设计

图1 12 d内室内温度的变化Fig.1 Change of indoor’s temperature in 12 days

2 实验与分析

2.1 实验数据分析

根据上文，列出设计的实验方案如表2所示。表2还包括实验得出的生菜的失重率，另外，对应的S/N值也在表格中列出。所述S/N值，根据品质特性形态，可分两种类型进行计算[5]：

1)望大特性，其品质特性是越大越好，也就是品质特性的理想机能无限大。其LTB(S/N)公式为

(2)

2)望小特性，其品质特性是越小越好，也就是品质特性的理想机能为零。其STB(S/N)公式为

(3)

其中yi表示第i个品质特性，n为实验次数。

本试验的品质特性为生菜保鲜4 d后的失重率，对于此品质特性，希望机能是越小越好，所以采用望小特性计算S/N值，图2给出各水准的S/N值的统计图，由于望小特性中的S/N值全部为负值，因此为了更为直观的观察，将S/N值取绝对值，可以很清晰的分析出不同水准影响失重率的效果。通过图3分析可知，最优组合为A3B2C2，也即在本实验中光周期12 h/24 h，光质为R+B,光照度为20 000 lx处理下生菜的保鲜效果最好。

图2 各水准对应的S/N值Fig.2 S/N of different factors

2.2 变异数分析(Analysis of Variance，ANOVA)

采用ANOVA方法进一步分析估量各因子对品质影响的贡献度。ANOVA的首要目的是评估实验误差并以百分比的方式来协助判断。在Taguchi方法中，常将交互作用视为误差的一部分，当因子效应和实验误差比较起来足够大时，才认定此因子效应为“有意义的”或是“重要的”。有了实验误差后，可以评估每一个因子效应相对于实验误差的“重要性”。只有“重要性”达到某一程度的因子效应，才会被用在预测的公式中，其他“重要性”不足以达到该程度的因子效应则视为可能只是实验误差造成的偶发现象。“重要性”的强弱通过采用参数ρ表示[12]：

(4)

SST=SSd+SSe

(5)

其中SSd表示方差和，SSe表示错误的方差和(考虑到在本次分析中，SSe接近为0，因为仿真的错误率极低，具有可重复性)。方差SST由S/N比的方差和给出：

(6)

其中m是实验数，ηi是每个因子第i次实验的S/N比，ηm为S/N值的平均值，在本实验中η=LTB(S/N)。

表3为各因子对失重率的贡献度。结果表明，LED光质对于失重率的影响最强烈(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%)。光周期和照度对于失重率的影响均不足20%，因此在进一步研究的过程中主要需要研究LED光质对于失重率的影响。

表3 各因子对失重率的贡献率

2.3 最佳光质比的探究

在以上研究内容的基础上，控制光周期为12 h/24 h，控制照度为20 000 lx，分别为红(R)，蓝(B)，红蓝光质比(R∶B)分别为2∶1，7∶2，6∶1的5组光源处理采摘后的生菜9天(这9天中温度的变化如图3所示，湿度基本在60%±0.5%)，每天9:00打开光源，并且在测量失重率外，观察并记录保鲜过程中生菜菜叶视觉效果的变化,最终得到如图4所示的各个光源处理下生菜失重率的变化图以及表4所示生菜9天中视觉效果的变化情况。由图4我们发现，在不同光质的LED光源处理两天后失重率的变化开始出现差异，在第3天(R+B)处理的生菜的失重率要小于R或B单独处理时生菜的失重率，在第4天之后(R∶B=6∶1)的光源处理的生菜的失重率迅速增加，并在第6天时几乎与R，B单独处理的失重率几乎一样，而在第3天之后(R∶B=7∶2)，(R∶B=2∶1)的光源处理的生菜其失重率均远低于R，B，(R∶B=6∶1)组，并且失重率的值以及变化趋势几乎相同，同时在第5、第6、第8、第9天(R∶B=2∶1)组的失重率要略低于(R∶B=7∶2)组。表4中所示的9天中生菜视觉效果的变化基本与图4相吻合，由表4可以发现，单独用R或者B处理的生菜保鲜效果几乎一致，并且低于(R+B)处理下的生菜，而在(R+B)的光源中(R∶B=6∶1)略好于R和B单独处理，(R∶B=7∶2)和(R∶B=2∶1)处理下的保鲜效果要远好于(R∶B=6∶1)组，并且两者处理下的保鲜效果差别不大。按照各个光源处理下的保鲜效果排序依次为(R∶B=7∶2)≈(R∶B=2∶1)>(R∶B=6∶1)≥R≈B。

图3 9天内室内温度的变化Fig.3 Change of indoor’s temperature in 9 days

图4 9天中5组不同光源处理下生菜的失重率变化情况Fig.4 Every-day’s weightlessness rate for different sources in 9 days

表4 9天中5组不同光源处理下生菜的视觉效果的变化

3 结论

本文利用Taguchi方法设计实验探究了光周期、LED光质，以及光照强度三个影响因子对于生菜保鲜过程中失重率的影响，经过ANOVA分析方法对因子的影响程度进行分析，分析表明：在上述三个因子中，LED光质对于失重率的影响占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响十分微小均不足20%。进一步为了探究LED光质对于失重率的影响，在最佳光周期12 h/24 h和最佳光照度20 000 lx下，设置了五组红蓝光质比不同的LED光源(分别为R， B，R∶B=6∶1，R∶B=2∶1，R∶B=7∶2)处理生菜9天，结果表明这五组光源的保鲜效果排序依次为(R∶B=7∶2)≈(R∶B=2∶1)>(R∶B=6∶1)≥R≈B。综合本文所有研究工作表明，生菜在红蓝光质比为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处理下其保鲜过程中重量的损失最小，保鲜效果最好。而LED光质对于保鲜过程中生菜各类营养物质衰减的影响还有待进一步研究。

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