LED光质对辣椒果实色泽品质的影响

杨 奇 谢小玉 李清明 郑胤建

（1中国农业科学院都市农业研究所，四川 成都 610218；2西南大学农学与生物科技学院，重庆 400716）

辣椒（Capsicumspp.）作为茄科辣椒属植物，具有悠久的栽培历史［1］。果色是辣椒重要特性之一［2］，辣椒果色主要由叶绿素、类胡萝卜素、类黄酮和花青素的相对含量所决定［3-4］。同时，在果实转色过程中，β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质和辣椒红素等类胡萝卜素与辣椒果色紧密相关，其中辣椒红素对果实呈红色起关键作用［5-6］。

近年来，我国辣椒色素市场规模总体呈增长态势，2020 年中国辣椒色素市场规模约为3.3 亿元，同比增长27.3%［7］。辣椒红色素是目前国际上公认最好的红色素，被联合国粮食与农业组织、世界卫生组织列为A 类食用色素，在使用中不加以限量［8］。同时我国香料香精协会介绍了辣椒色素收购的国际贸易定价一般采用美国香料贸易协会标准（American Spice Trade Association，ASTA）及国际色价标准（International Color Units，ICU）。

当前，LED光源由于纯度高、耗能少、波长固定，已成为设施农业生产的一项关键技术［9］。不同波长光谱在植物中有不同功能。红光能影响光合器官发育，从而促进植物生长发育［10］。绿光能调节植物气孔导度，增加二氧化碳吸收量，提高植物生物量［11］。蓝光能影响植物的株高和叶绿素生物合成［12］。前人利用不同LED 光质应用于植物果实的研究已有相关报道。如Huang 等［13］采用红、蓝、绿光和黑暗处理香蕉果实，研究表明蓝光照射能促进青香蕉成熟；陈强等［14］采用白、红、蓝、红蓝光照射番茄果实，研究发现红光能加快番茄果实转色；Zhang 等［15］用白、红、蓝、红蓝光照射草莓果实，发现红蓝光照射能提高草莓果实花青素含量；Ma 等［16］则通过蓝、红光和黑暗处理柑橘果实，结果表明红光最能促进柑橘果实成熟。

辣椒果实色素含量变化受不同环境因素影响［17-18］，而调控光环境可较调控温度和水分更直接地影响植物果实色素积累量。前人研究表明，不同LED 单色光长期照射辣椒植株会使其生长形态朝着不同光质诱导的方向进行相应变化［19］。不同单色光能促进目标次生代谢产物的生物合成，从而提高植物特定产物的产量和品质［20］，这在生产上具有应用价值。目前关于LED光质对采前辣椒果实转色影响的研究鲜有报道，鉴于此，本试验采用LED 蓝光、LED 绿光、LED 红光和LED白光照射采前辣椒果实，分析不同LED 光质照射对果实色泽品质、相关色素含量、ASTA 色值和ICU 色价的影响规律，以期为LED 光质对采前辣椒果实转色和色泽影响研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试辣椒品种为遵辣一号（一年生辣椒），由中国农业科学院都市农业研究所的郑胤建老师提供试验材料种子。试验前将试验材料遵辣一号播种于32 孔含有基质（草炭∶蛭石∶珍珠岩=3∶1∶1）的育苗盘中，每孔1 株，在温室内于室温条件自然生长，每隔7 d 浇一次1/2 Hoagland 营养液。当辣椒幼苗生长到10 片真叶时，移栽到花盆中（盆高20 cm，直径18 cm），每盆1株，盆中基质（草炭∶蛭石∶珍珠岩=3∶1∶1）、水分、温度和光照等条件保持一致，将温度维持在（25±2） ℃，相对湿度维持在80%，光照条件则受当日四川省成都市天府新区天气影响。将花盆按照随机区组设计的方法摆放在温室中，直至辣椒开花且达到花后30 d（果实处于绿熟前期）。在辣椒的开花坐果期，对果龄及大小健康状况一致的第三层幼果进行挂牌标记。

本试验中使用的辣椒红素标准品（≥95%）、叶黄素标准品（≥98%）、β-胡萝卜素标准品（≥98%）和玉米黄质标准品（≥98%）均购自四川省维克奇生物科技有限公司；β-隐黄质标准品（≥98%）购自上海源叶生物科技有限公司；丙酮（分析级）购自浙江艾绿化工科技有限公司；乙醇（分析级）购自成都金山化学试剂有限公司；甲醇（色谱级）购自上海滔谱赛生物科技有限公司；甲基叔丁基醚（色谱级）购自上海高信化玻仪器有限公司。

1.2 试验方法

试验分为四组光质照射处理，采用T8 一体化LED灯管（厦门通秴科技股份有限公司）进行，分别为LED红光（660 nm）、LED 蓝光（450 nm）、LED 绿光（520 nm）和LED 白光照射处理（图1、2），其中LED 白光照射处理为对照（CK）。在温度25 ℃、相对湿度80%的条件下，利用四种光质在光强为140 μmol·m-2·s-1、光周期为12 h 的光环境下分别对花后30 d（果实处于绿熟前期）的辣椒植株进行16 d的照射，光源距离辣椒植株顶部15 cm，每个处理15 株辣椒。在花后30 d 光质处理之前以及花后38 d（白光照射下果实处于转色期）和花后46 d（白光照射下果实处于红熟期）对四组处理的辣椒果实分别进行取样，采用混合取样的方法在不同处理时期内每个处理分别取10 个果实。之后分别对四种光质照射下的辣椒果实色泽、总叶绿素含量、总类胡萝卜素含量、总类黄酮相对含量、总花青素相对含量、β-胡萝卜素含量、叶黄素含量、β-隐黄质含量、玉米黄质含量、辣椒红素含量、ASTA 色值和ICU 色价等指标进行测定。

图1 试验中采用的LED光谱Fig.1 The LED spectrum used in the test

图2 LED白光、LED红光、LED绿光、LED蓝光照射辣椒果实环境图Fig.2 LED white light，LED red light，LED green light，LED blue light irradiation of pepper fruit environment diagram

1.3 测定项目与方法

1.3.1 辣椒果实色泽的测定 参照Ma 等［16］的方法并略作修改。通过ColorMeter Pro 手持分光测色仪（北京默勒克生物科技有限公司）分别对辣椒果实的L*、a*、b*值进行测定，然后根据式（1）～（3）计算色彩饱和度（color saturation，C）和色度角（hue angle，H）以及色泽指数（capsicum color index，CCI）。每个样品处理测6个点，取平均值。

1.3.2 辣椒果实中叶绿素和总类胡萝卜素含量的测定 参照努尔凯麦尔·木拉提等［21］的方法并略作修改。首先称取辣椒果实果皮样品0.5 g置于研钵中，加少量石英砂、碳酸钙粉以及3 mL 95%乙醇将样品研磨成均浆，随后再加少量乙醇，继续研磨至组织变白，静置5～10 min。之后将提取液移至25 mL 棕色容量瓶中，并用乙醇定容，摇匀。吸取提取液置于比色皿中，以95%乙醇为空白对照，使用UV-2100 紫外可见分光光度计（上海棱光技术有限公司）测定提取液在665、649 和470 nm 波长处的吸光度。利用式（4）～（5）计算辣椒果实中的总叶绿素和总类胡萝卜素含量。

式中，A665、A649和A470分别为665、649和470 nm波长处的吸光度；V为提取液总体积（mL）；W为样品质量（g）。

1.3.3 辣椒果实中总类黄酮和总花青素相对含量的测定 参照《果蔬采后生理生化实验指导》［22］的方法。首先称取辣椒果实果皮样品0.5 g，然后加入少许经预冷的1% HCl-甲醇溶液，在冰浴条件下研磨匀浆后，转入20 mL 刻度试管中。用1% HCl-甲醇溶液冲洗研钵，一并转移到试管中，定容至刻度，混匀，于4 ℃避光提取20 min，期间摇动数次，然后过滤，收集滤液待用。以1% HCl-甲醇溶液作空白对照，使用紫外可见分光光度计测定滤液在325、530和600 nm波长处的吸光度值。利用式（6）～（7）计算辣椒果实中的总类黄酮和总花青素相对含量。

式中，（A325）/g为每克辣椒果皮组织在波长325 nm处的吸光度值；（A530-A600）/g为每克辣椒果皮组织在波长530和600 nm处的吸光度值之差。

1.3.4 辣椒果实中辣椒红素含量的测定 参照杨建霞等［23］的方法并略作修改。首先精准称取辣椒红素标准品4.5 mg，然后使用丙酮定容，配成0.3 mg·mL-1的标准品溶液；之后分别精准移取标准品溶液0.80、1.60、2.40、2.80、3.20、4.00 mL至10 mL容量瓶中，通过丙酮定容，在460 nm 波长下测定吸光值，并绘制标准曲线。然后将SJIA-5S 真空冷冻干燥机（宁波市双嘉仪器有限公司）冻干的辣椒样品加丙酮振荡均匀后定容，以丙酮做参比，在460 nm 波长处测定溶液的吸光值。根据式（8）结合标准曲线计算各样品中的辣椒红素含量。

式中，G 为从标准曲线中查到的标准质量（mg）；m为测定所取样品的质量（g）。

1.3.5 辣椒果实中β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质含量的测定 采用高效液相色谱法，参照严娟等［24］的方法并略作修改。准确称取各标准品，用提取剂丙酮溶解定容，制得单标准溶液。然后用一次性注射器分别吸取l mL 各标准溶液，经0.22 μm 注射式滤器过滤，装入色谱瓶进行色谱分析。吸取20 μL 标准溶液用Waters 2695 高效液相色谱仪（上海沃特世科技有限公司）通过YMC-C30色谱柱（4.6 mm×250 mm，5 mm）（北京康普兴科技有限公司）在450 nm处进行吸收峰检测。以甲醇和甲基叔丁基醚（V/V=70∶30）为流动相进行等度洗脱，流速1.0 mL·min-1，柱箱温度25 ℃。分析出β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质的标准曲线后，以丙酮为提取剂，将冻干的辣椒果皮提取，然后在SYU-10-200 超声波清洗器（郑州生元仪器有限公司）中超声波避光辅助提取1 h，使用TGL-16M 离心机（长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司）在4 ℃下10 000 r·min-1离心10 min，取上清液经0.22 μm 注射式滤器过滤后得到样品溶液。之后用上述色谱条件进行测定。β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质含量根据各标准品制作的标准曲线进行计算。

1.3.6 辣椒果实中ASTA色值和ICU色价的测定 参照Ko等［25］的方法并略作修改。首先将冻干的辣椒果皮研磨至能通过1 mm孔筛。然后称量100 mg辣椒样品，转移至100 mL 容量瓶中。加入丙酮至刻度线，塞紧。摇晃容量瓶，并在室温下黑暗环境中静止16 h。摇晃容量瓶，并静置2 min。之后吸取上清液置于比色皿中，以丙酮做参比，在460 nm 波长处测定溶液的吸光值。利用式（9）～（10）计算辣椒果实的ASTA色值及ICU色价。

在料液浓度、超滤时间、浓缩倍数等相同的条件下，研究了料液体积流量对膜通量及压力的影响，结果如图4所示。

式中，A460为460 nm 波长处的吸光度；If 为仪器校正因子；m为样品质量（g）。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2020 进行数据处理，利用SPSS 25.0 软件进行统计分析并用最小显著差异法（least significant difference，LSD）进行差异显著性分析（P＜0.05），然后通过Origin 2018软件制图。

2 结果与分析

2.1 LED光质对辣椒果实色泽的影响

由图3-A、B 可知，与花后30 d（LED 光质照射前）相比，在花后38 d时，LED白光、红光、绿光照射下的辣椒果实颜色均发生了改变，此时对照处理（LED 白光）下的辣椒果实处于转色期，LED 红光照射下的辣椒果实已从转色期进入红熟期（红色成熟期），LED 绿光照射下的辣椒果实处于绿熟期（绿色成熟期），而LED 蓝光照射下的辣椒果实还未进入绿熟期。由图3-C可知，在花后46 d，对照处理下的辣椒果实已从转色期进入红熟期，同时LED 红光照射下的辣椒果实已进入完熟期（完全成熟期），LED 绿光照射下的辣椒果实则处于转色期，此时LED蓝光照射下的辣椒果实处于绿熟期。

图3 LED光质照射对辣椒果实表型变化的影响Fig.3 Effects of LED light quality irradiation on the phenotypic changes of pepper fruit

由图4-A、B 可知，相比于花后30 d，在花后38 d时，LED 红光照射下的辣椒果实色彩饱和度和色泽指数大幅提高，色彩饱和度提高至花后30 d 的约2.2 倍，色泽指数比花后30 d提高了约3倍。且花后38和46 d LED红光照射下的色彩饱和度和色泽指数均较对照显著提高（P＜0.05）。随着时间的延长，LED 绿光照射下的辣椒果实色彩饱和度和色泽指数先下降后上升，而LED 蓝光照射下的辣椒果实色泽指数则持续下降，且同期LED 绿光和蓝光照射下的辣椒果实色彩饱和度和色泽指数均低于对照处理。

图4 LED光质对辣椒果实色泽变化的影响Fig.4 Effect of LED light quality on color change of pepper fruit

由图4-C可知，在花后38 d时，对照和LED红光照射处理下的辣椒果实色度角相对花后30 d均大幅减小，分别约减小至原来的50%和30%。同时花后38和46 d时LED红光照射下的辣椒果实色度角均较对照差异显著（P＜0.05）。LED绿光照射下的辣椒果实色度角在花后46 d时才大幅减小，减小为原来的50%，而LED蓝光照射下的辣椒果实色度角则随时间的延长持续增大。

由于色度角的减小和色泽指数的上升是相对的，即色度角越小，色泽指数越高，所以图4 的色彩饱和度、色度角、色泽指数三个色泽指标的变化规律与图3辣椒果实的表型变化是一致的。

2.2 LED 光质对辣椒果实叶绿素和总类胡萝卜素含量的影响

图5 LED光质对辣椒果实叶绿素和总类胡萝卜素含量的影响Fig.5 Effects of LED light quality on chlorophyll and total carotenoids content of pepper fruit

2.3 LED 光质对辣椒果实总类黄酮和总花青素相对含量的影响

由图6-A 可知，在花后38 和46 d，LED 白光、红光、绿光、蓝光照射下辣椒果实的总类黄酮相对含量均随照射时间的增加而增加，但同一时期四种LED 光质照射下的辣椒果实总类黄酮相对含量均无显著差异。

图6 LED光质对辣椒果实总类黄酮和总花青素相对含量的影响Fig.6 Effect of LED light quality on the relative contents of total flavonoids and total anthocyanins in pepper fruit

由图6-B 可知，不同LED 光质照射下辣椒果实的总花青素相对含量也随照射时间的增加而增加，在花后38 和46 d 时，LED 红光照射下的辣椒果实总花青素相对含量均高于对照，且有显著差异（P＜0.05），而LED绿光和蓝光照射下均低于对照。

2.4 LED 光质对辣椒果实β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质、辣椒红素含量的影响

由图7-A～D 可知，随着果实的成熟，LED 白光、红光、绿光、蓝光照射下的辣椒果实β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质的含量变化趋势一致，均不断增加，且在花后46 d 时LED 红光照射下的辣椒果实中，上述四种类胡萝卜素含量与对照无显著差异。

图7 LED光质对辣椒果实β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质、辣椒红素含量的影响Fig.7 Effect of LED light quality on the contents of β-carotene，lutein，β-cryptoxanthin，zeaxanthin and capsanthin in pepper fruit

由图7-E 可知，在花后38 d时，LED 红光照射下的辣椒果实辣椒红素含量大幅提升至花后30 d 的27 倍。花后38 和46 d 红光照射下的辣椒红素含量均显著高于对照（P＜0.05）。而LED 绿光和蓝光照射下的辣椒果实辣椒红素与β-胡萝卜素、叶黄素、β-隐黄质、玉米黄质含量变化趋势一致，且同一时期的含量均低于对照。表明LED 红光能显著加快辣椒果实中辣椒红素含量的积累。

2.5 LED 光质对辣椒果实ASTA 色值和ICU 色价的影响

由图8 可知，在花后38 d 时，LED 红光照射下辣椒果实的ASTA色值和ICU色价均较花后30 d大幅上涨，约上涨至原来的3.5 倍，且花后38 和46 d 时的ASTA色值和ICU 色价均显著高于对照（P＜0.05）。而同期LED 绿光和蓝光照射下辣椒果实的ASTA 色值和ICU色价均低于对照。表明LED 红光能显著提高辣椒果实的ASTA色值和ICU色价。

图8 LED光质对辣椒果实ASTA色值和ICU色价的影响Fig.8 Effect of LED light quality on ASTA color value and ICU color value of pepper fruit

3 讨论

果实在生长发育中会经历一系列生理、代谢和形态变化，这些变化受其成熟度、基因型和环境因素的影响［26］。而光环境在植物果实采摘前后物质代谢的过程中起着重要作用，随着当前光技术的应用与发展，不同LED 光质能够以安全、节能、便捷的方式有效促进和维持果实某一方面的高品质［27］。目前LED 光质运用在采后辣椒果实的研究较多，如Pola 等［28］通过LED红光和LED 蓝光对采后辣椒果实进行三天的照射处理，发现LED 红光能加快采后辣椒果实转色。但由于辣椒果实属于非呼吸跃变型，在果实成熟后采摘更能保持其良好的商品性［29］，因此本试验探究不同LED 光质照射对采前辣椒果实转色的影响，在生产上更具有经济价值。

果实颜色对辣椒的外观和品质有重要影响，关系到辣椒的美观、保健和营养等方面，辣椒果实颜色的变化取决于叶绿素、类胡萝卜素、类黄酮和花青素的相对含量［30］。而果实颜色质量评价方法也有多种，包括各类色素的含量、果实色泽指标和ASTA 色值［31］。在本试验中，LED 红光能够显著提高采前辣椒果实的色彩饱和度和色泽指数，色度角也较同期其他LED 光质显著减小，综合上述三个色泽指标，说明LED 红光能够加快采前辣椒果实色泽品质的提升。本试验中，花后38 和46 d LED 红光照射下的辣椒果实叶绿素含量较其他三种LED 光质整体显著降低，类胡萝卜素含量显著提升，说明叶绿素含量与类胡萝卜素含量变化成反比，这与Song等［32］的结果一致。同时在LED 红光照射下，花后38和46 d 同一时期辣椒果实的总花青素相对含量较其他三种光质显著增加，但总类黄酮相对含量与其他三种LED 光质无显著差异，这与Jin 等［33］的研究结论一致。结合果实色泽表型和色泽指标来看，对辣椒果实转色及成熟过程影响最大的是类胡萝卜素含量的变化。与LED 红光相比，LED 蓝光和LED 绿光照射下的辣椒果实均延缓转色，其中LED 蓝光照射延缓转色效果最优。在利用LED 蓝光调控辣椒果实品质的研究中，Yap 等［34］研究表明LED 蓝光能促进辣椒果实中辣椒素的积累。同时辣椒素的积累与木质素、蛋白质、单宁、生物碱、香豆素等物质积累相互抑制而形成竞争关系［35］。因此，结合本试验的结果推测辣椒果实中类胡萝卜素与辣椒素的积累可能存在竞争关系。

Song 等［36］研究表明，在辣椒果实从转色期到完熟期的过程中，类胡萝卜素含量逐渐增加，同时β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质、辣椒红素的含量也随之增加。在本试验中，随着不同LED 光质照射时间的增加，辣椒果实中总类胡萝卜素和β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质、辣椒红素含量均不断增加，且在花后46 d 时辣椒红素的含量约为总类胡萝卜素含量的50%，这与前人研究结果相一致［37］。但花后46 d LED 红光照射下的辣椒果实β-胡萝卜素、叶黄素、玉米黄质、β-隐黄质含量较对照无显著差异，而辣椒红素含量则较对照显著增加，且辣椒红素与总类胡萝卜素含量的变化趋势一致，说明辣椒红素的含量变化是影响辣椒果实变红的主要原因，这与Jang 等［38］的结论一致。同时，辣椒果实中ASTA色值和ICU色价在LED红光照射下的变化趋势与辣椒红素含量的趋势相一致，说明相比于其他LED 光质，LED 红光照射能加快辣椒果实的色素含量积累速率，进而促进果实色泽品质的提升。综上所述，以LED 红光照射采前辣椒果实对加快辣椒果实转色，提升辣椒果实色泽品质的效果最佳。因此，LED 红光照射采前辣椒果实可以作为加速辣椒红素积累和加快果实色泽品质提升的实用策略，该方法在红辣椒交易市场和色素市场上具有应用前景。

4 结论

本研究结果表明，采用LED 绿光和LED 蓝光照射采前辣椒果实会延缓辣椒果实的转色。而采用LED红光照射采前辣椒果实可以加快果实转色，同时能加速辣椒红素的积累，加快ASTA 色值的提高，从而更快地提高果实色泽品质。