苗參水培及營(yíng)養(yǎng)液滅菌的研究進(jìn)展

朱相潤(rùn) 劉越一 莫紅旭 曹路 湯宥輯 馮爽 翟銘文 王友鵬 吳榮哲

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133000)

人參(Panax ginseng C.A.Meyer)為五加科草本植物，喜陰涼，3a開花結(jié)實(shí)，1～5a的人參可食用，6a以上的人參根、莖干燥后可作為藥用[1]。人參具有保護(hù)肝臟、補(bǔ)元?dú)?、益腎助陽，補(bǔ)脾補(bǔ)血養(yǎng)血、益肺補(bǔ)氣生津，降血脂、安神益智等功效。據(jù)2019年國(guó)際市場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)，人參的年貿(mào)易量在6000～6500t，其中中國(guó)人參產(chǎn)量約占國(guó)際市場(chǎng)總產(chǎn)量的70%[2]。

苗參(Ginseng Sprouts)是指一至四年生幼葉展開的人參。水培苗參生長(zhǎng)周期短、植株內(nèi)活性物質(zhì)含量高，具備功能食品的潛力[3]，成為人們生活中鮮食保健的佳品。但是，苗參在生長(zhǎng)發(fā)育的過程中經(jīng)常會(huì)受到鐮刀菌等真菌侵染，使苗參的莖干枯萎蔫，參體腐爛。本文介紹了苗參水培及營(yíng)養(yǎng)液的滅菌處理，為減輕苗參水培過程中病害的發(fā)生、擴(kuò)大苗參產(chǎn)業(yè)化提供參考依據(jù)。

1 不同水培模式下苗參的栽培

1.1 水培模式下苗參的栽培

水培蔬菜具有產(chǎn)量高、生產(chǎn)周期短、質(zhì)量安全可控等諸多優(yōu)勢(shì)。研究表明，水培可提高番茄中的可溶性固形物、糖酸比，以及可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)[4]。相比于傳統(tǒng)栽培模式，水培生產(chǎn)出的蔬菜產(chǎn)量高，一般可提高0.5～4.0倍，經(jīng)濟(jì)效益提高1.0～2.5倍[5]。

我國(guó)現(xiàn)階段的蔬菜水培主要有營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)、深液流法和浮板毛管技術(shù)等。將植株的大部分根系浸在營(yíng)養(yǎng)液中，營(yíng)養(yǎng)液的成分包括雜木液、氨基酸、葡萄糖等，采用水培種植技術(shù)生產(chǎn)，莖、葉、根均可食用，有助于克服人參連作的障礙。水培時(shí)需要不斷地向營(yíng)養(yǎng)液中通氧氣，增加營(yíng)養(yǎng)液中的氧氣含量。研究表明，人參水培種植過程中，環(huán)境濕度控制在60%左右，溫度在22℃左右，培養(yǎng)30d左右，苗參植株即可長(zhǎng)出莖葉[6]。

1.2 氣霧培模式對(duì)苗參栽培的影響

氣霧栽培設(shè)施主要由栽培系統(tǒng)和營(yíng)養(yǎng)液供給系統(tǒng)2大部分構(gòu)成，目前較常見的栽培系統(tǒng)有3種，分別為A型栽培模式、苗床模式和立柱模式。供液系統(tǒng)主要包括水泵、管道、儲(chǔ)液池、噴霧裝置和控制器[7]。Song等[8]的研究中，苗參的氣霧培設(shè)施長(zhǎng)1.1m、寬1.4m、高2.0m，且配備有一個(gè)98L的等離子體處理室，采用容量為28mL·min-1、噴灑壓力約為5kgf·cm-2的噴頭，間隔58min噴1次，每次噴2min，營(yíng)養(yǎng)液溫度保持在20℃。噴施等離子體處理過的水后，立即從底部排出；等離子體處理過的水中的NO3-和NO2-與K+共同作用下，苗參莖的生物量提高了26.5%。

2 光照對(duì)苗參栽培的影響

苗參喜陰涼，忌強(qiáng)光，不同的光照強(qiáng)度都會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育造成影響。綠色葉片中的類胡蘿卜素可以保護(hù)葉綠體進(jìn)行光合作用，避免強(qiáng)光對(duì)葉綠體的傷害，在溫度低，光照弱的環(huán)境中，類胡蘿卜素的含量較高[9]。因此，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)，類胡蘿卜素可能會(huì)對(duì)苗參葉中的葉綠體起到一定的保護(hù)作用。馮春生等[10]研究表明，人參光飽和強(qiáng)度10～20klx，適宜的光照強(qiáng)度為6～20klx；參棚適宜透光率為25%，藍(lán)膜的光合效率高，研究人參光合作用的光補(bǔ)償點(diǎn)和光飽和點(diǎn)分別在5～20μE·(m2·s)-1和120～480μE·(m2·s)-1。二者測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，可能是由于測(cè)量方法不同導(dǎo)致，根據(jù)其研究結(jié)果，可以更好地控制設(shè)施內(nèi)的光照環(huán)境。曹伍林等[10]的研究表明，在植物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境中，當(dāng)光照強(qiáng)度過大時(shí)，植物會(huì)使葉片通過卷曲，以減少葉片對(duì)光的吸收。以上結(jié)論說明苗參展葉后，葉片也會(huì)受到光照的影響，水培時(shí)應(yīng)控制光強(qiáng)，避免苗參被日光灼傷，同時(shí)，保證光照時(shí)間和光照強(qiáng)度使葉片可以正常光合作用。Kim等[11]的研究中發(fā)現(xiàn)，不同光的組合對(duì)苗參的生長(zhǎng)發(fā)育有直接影響，紅光(656nm)對(duì)苗參莖的生長(zhǎng)及葉面積變化均有促進(jìn)作用，紅光能有效地提高苗參的生長(zhǎng)特性和光合速率。藍(lán)光(451nm)對(duì)苗參總皂苷含量的提高有積極的作用，主要增強(qiáng)了皂苷Rb1、Rg1和Re，這也導(dǎo)致了苗參皂苷總含量的增加，藍(lán)光還誘導(dǎo)5-氨基丙酸增加，從而改善葉綠素合成，藍(lán)光照射下會(huì)減少苗參莖的長(zhǎng)度。添加遠(yuǎn)紅光(740nm)對(duì)苗參的莖長(zhǎng)沒有影響，但能使葉面積增大。在秋冬季節(jié)，光周期縮短會(huì)影響苗參的生長(zhǎng)，根據(jù)苗參的生長(zhǎng)狀況，設(shè)置不同的紅藍(lán)光比例進(jìn)行合理的補(bǔ)光，控制補(bǔ)光時(shí)長(zhǎng)，可以調(diào)節(jié)苗參根、莖、葉的生長(zhǎng)；同時(shí)可以利用不同波長(zhǎng)的光提高苗參的皂苷含量。李哲浩等[6]研究表明，苗參在水培過程中，會(huì)進(jìn)行2h·d-1的補(bǔ)光，補(bǔ)光會(huì)利用紅光和藍(lán)光2種LED燈進(jìn)行，紅光和藍(lán)光的比值為3∶1。紅光能促進(jìn)苗參鮮重和干重、株高和葉面積。以上證明了水培模式栽培苗參，可以利用設(shè)施隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)光，采收所需部位，彌補(bǔ)市場(chǎng)空缺。

3 溫度對(duì)苗參栽培的影響

溫度是植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)最重要的因素之一，高溫導(dǎo)致植物細(xì)胞膜被破壞、光合作用受抑制，使細(xì)胞衰老、死亡。研究表明，溫度過高會(huì)使氣孔閉合，蒸騰作用不相適應(yīng)，葉片中的葉綠素會(huì)最先受到破壞，出現(xiàn)組織焦枯變脆，葉片焦枯、脫落等病態(tài)[12]。溫度過高還會(huì)使苗參進(jìn)入休眠狀態(tài)，休眠的苗參長(zhǎng)時(shí)間浸泡在營(yíng)養(yǎng)液中會(huì)使根部腐爛。在設(shè)施內(nèi)，苗參的生長(zhǎng)期最適宜的溫度為20～25℃，要穩(wěn)定在15℃以上。苗參葉片凈光合作用最適溫度為15～25℃。作為蔬菜類作物，苗參生長(zhǎng)發(fā)育最適溫度與黃瓜接近，但略低于黃瓜，根據(jù)董洪霞等[13]的研究，黃瓜的生長(zhǎng)適溫為25～28℃,低溫生長(zhǎng)溫度為11℃左右,當(dāng)溫度低于10℃時(shí)，黃瓜的生長(zhǎng)發(fā)育將會(huì)停止。李哲浩等[6]研究表明，苗參在水培過程中，無菌室內(nèi)溫度控制在15～24℃，培養(yǎng)30d，苗參植株即可長(zhǎng)出莖和葉。

4 苗參栽培營(yíng)養(yǎng)液的滅菌處理

4.1 物理方法滅菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的影響

根據(jù)王偉琳等[14]研究，采用紫外線照射滅菌的方法，通過調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液的流速、流量，改變營(yíng)養(yǎng)液透光率，通過紫外線充分的照射，可殺滅鐮刀菌(Fusarium)、疫霉菌(Phytophthora)等，滅菌率達(dá)到92%左右。加熱消毒機(jī)可使滅菌效果更加徹底。宋衛(wèi)堂等[15]研究中，利用電加熱爐，初始營(yíng)養(yǎng)液(20℃左右)在加熱爐中被加熱至85℃后，進(jìn)入滯留罐，滯留3min，排入熱交換器高溫通道，在熱交換器中將余熱傳給低溫通道中的待處理營(yíng)養(yǎng)液。利用加熱消毒機(jī)進(jìn)行番茄萎蔫病病菌、黃瓜枯萎病病菌、番茄細(xì)菌性青枯病病菌滅菌，滅菌率可以達(dá)到100%。

利用沙粒、活性炭等材料制作成的過濾裝置，通過過濾、吸附的作用達(dá)到營(yíng)養(yǎng)液濾菌的效果。研究表明，利用不同粒徑的砂層可濾除不同相對(duì)分子質(zhì)量的生物，使用混凝、粉末活性炭等過濾裝置可以對(duì)真菌、線蟲、部分有機(jī)物和部分鐮孢菌進(jìn)行過濾。

4.2 化學(xué)方法滅菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的影響

水培蔬菜時(shí)，營(yíng)養(yǎng)液中極易滋生綠藻。藻類會(huì)在營(yíng)養(yǎng)液中大量的繁殖，會(huì)與苗參競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)液中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且會(huì)嚴(yán)重影響苗參的生長(zhǎng)發(fā)育，如苗參生長(zhǎng)減緩、產(chǎn)量和品質(zhì)下降等，采用0.5%的CuSO4溶液可抑制綠藻的生成和減少綠藻的發(fā)生。在營(yíng)養(yǎng)液中添加氧化劑進(jìn)行滅菌，氧化劑可以與病菌迅速發(fā)生氧化還原反應(yīng)，分解病菌。孫博等[16]研究發(fā)現(xiàn)，利用二溴海因滅菌，其中的活性溴等有效成分會(huì)影響病原菌的活性，是常用含氯滅菌劑的40倍。二溴海因和次氯酸鈉的滅菌效果相似，對(duì)藻類的去除效果較好，但是滅菌率不及次氯酸鈉。以上采用的化學(xué)試劑，如二溴海因等，均在滅菌過程中反應(yīng)發(fā)生快，且不易在水中發(fā)生殘留，不會(huì)影響到苗參的正常生長(zhǎng)。

用于營(yíng)養(yǎng)液滅菌的氧化劑主要是臭氧，過氧化氫價(jià)格低廉，作為替代物也用于營(yíng)養(yǎng)液消毒。臭氧滅菌的效果主要和臭氧與病原菌接觸的時(shí)間以及臭氧的濃度有關(guān)，具有殺菌性廣、殺菌速度快。但是，臭氧在水中的溶解率低且易分解，營(yíng)養(yǎng)液中的病菌與臭氧接觸時(shí)間短，滅菌效率不高。李哲浩[6]研究表明，在每年的2—4月，苗參易感染蠶豆赤斑病，在無菌室內(nèi)，日平均溫度控制在8～16℃，施用40%咪戊懸浮劑、10%嘧菌酯懸浮劑、75%百菌清可濕性粉劑均可對(duì)蠶豆赤斑病均有較好的防效，411項(xiàng)農(nóng)殘未檢出，可進(jìn)行推廣應(yīng)用以促進(jìn)人參產(chǎn)業(yè)的綠色、健康、可持續(xù)發(fā)展。

4.3 復(fù)合方法滅菌對(duì)營(yíng)養(yǎng)液的影響

單一消毒工藝存在各自的缺點(diǎn)，采用2種及2種以上的消毒劑或消毒方法以便加速和強(qiáng)化消毒效果。采用復(fù)合方法滅菌可以同時(shí)利用物理、化學(xué)等方法進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液滅菌。如，利用物理方法濾除營(yíng)養(yǎng)液中的雜質(zhì)，增加紫外線燈的透射率，使紫外線直接作用到病菌上，進(jìn)行滅菌；還可以利用臭氧與病菌發(fā)生的氧化反應(yīng)進(jìn)行滅菌，提升滅菌效果。王冬華等[17]研究表明，利用沙濾滅菌法加紫外線燈滅菌法滅菌，沙濾滅菌法的過濾效率主要與濾膜和細(xì)菌濃度有關(guān)，隨著營(yíng)養(yǎng)液過濾次數(shù)的增加，過濾效率也增加，過濾后的營(yíng)養(yǎng)液透光度增加，配合紫外線照射，可以徹底過濾掉腐霉屬真菌和疫霉屬卵菌，還可消除部分線蟲及鐮刀菌。在使用營(yíng)養(yǎng)液前，需要進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液過濾，除去因長(zhǎng)期放置而產(chǎn)生的藻類。配合紫外線照射，使?fàn)I養(yǎng)液中的細(xì)菌、真菌失活，避免污染苗參植株。

宋衛(wèi)堂等[18]研究表明，利用進(jìn)氣量35L·min-1，臭氧產(chǎn)量10g·h-1的臭氧發(fā)生器，配合輻照度為18.3MW·cm-2的紫外線燈組合滅菌，消毒4～6h，可有效抑制細(xì)菌、真菌、放線菌，滅菌率可達(dá)89.9%。利用微納米氣泡發(fā)生技術(shù)可提高臭氧在水中的溶解率，延長(zhǎng)臭氧在水中的存留時(shí)間，提高利用率；調(diào)節(jié)臭氧濃度為1mg·L-1左右(濃度范圍1～8mg·L-1)并通過紫外線光照射可對(duì)營(yíng)養(yǎng)液發(fā)揮協(xié)同滅菌作用，消毒后采用空壓機(jī)對(duì)殘留臭氧進(jìn)行吹脫處理，使?fàn)I養(yǎng)液中的臭氧濃度迅速下降到0.1mg·L-1，減少或避免對(duì)植物根系產(chǎn)生危害。在水培一段時(shí)間后，營(yíng)養(yǎng)液中殘留的病菌、苗參根部攜帶的病菌會(huì)因營(yíng)養(yǎng)液中養(yǎng)分的充足迅速繁殖，這一研究表明，在水培過程中，通過使用多種滅菌方法，可以最大程度降低病害的發(fā)生，不斷進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液滅菌，同時(shí)也可以控制病菌的侵染速度。

5 展望

苗參中含有豐富的活性物質(zhì)，全株均可鮮食。水培模式可以縮短苗參的生長(zhǎng)周期、提高苗參的產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)周年供應(yīng)。目前使用營(yíng)養(yǎng)液滅菌的效果尚處于廣泛應(yīng)用苗參初期階段，雖有一定的滅菌效果，但尚未到達(dá)預(yù)期。隨著水培技術(shù)及滅菌方法的完善，利用物理、化學(xué)、生物抑制劑等方法，會(huì)進(jìn)一步提升營(yíng)養(yǎng)液滅菌的效果。未來，會(huì)探索出更加有效的復(fù)合型滅菌方法，從而建立科學(xué)、全面、安全的水培模式。