0 引言
近年来,随着人们生活水平的提高,人们更加重视食品安全和食物营养问题,开始由提供日常能量的蔬菜、肉类逐渐向食用菌转变.研究显示,大多数食用菌中含有人体必需的氨基酸、维生素、矿物质,可以补充日常营养需要[1 -2].食用菌作为人类重要食物资源,除具有口感好、营养丰富的特点外,还具有重要的药物价值和一定的观赏价值.
我国是食用菌输出最多的国家,加入 WTO 后,食用菌产业在国际市场上占据着明显的优势地位.据统计,我国食用菌种类占世界 50% 左右,药用占世界70% ,但是可栽培的仅有 60 种[3].因此,要达到食用菌工厂化生产就必须为食用菌找到最适宜的生长环境因子,从而实现食用菌设施栽培技术的高效发展[4].大多数食用菌栽培者对温度、湿度比较重视,殊不知光照也是食用菌生长过程中一个不可忽略的因素[5 - 6].
本文采用最新节能环保的半导体技术 LED 作为主控人工光源代替传统光源方式,具有光质纯、光效高、散热量少的绝对优势.对于 LED 电源部分,采用了可调光的驱动控制模式,特点是排除电网波动干扰,保证供电系统的稳定、可靠,实现了亮度可调功能,可满足试验对光环境的需求.
本文以平菇作为对象,研究不同 LED 光量、光质条件对平菇菌丝阶段生长状况的影响,从而筛选出平菇菌丝的最适宜光照条件,旨在为食用菌工厂化、品种多元化、生长周期化环境因子提供有力依据,并进一步推进产量高、周期短、品种多的食用菌产业化的发展[7 -8].
1 硬件结构和工作原理
保证 LED 灯能够正常运行且具有可调光功能,关键之处是其电源部分能够稳定、可靠地供电.电源电路包括 EMI 滤波电路、全桥整流电路、斩波电路、钳位电路、变压器、整流滤波电路及调光控制电路,如图 1所示.
LED 灯可调光电源驱动电路图 如图 2 所示.工作原理:接通交流电后,经过 EMI 初级滤波将瞬间高压滤掉,通过全桥整流器变为直流,再经过次级滤波电路,实现保护 LED 灯不被瞬间高压击穿.由 RCD钳位电路、变压器、开关管共同实现反激式变换器.斩波电路、调光驱动控制器 iw3612 实现 1% ~ 100%之间亮度的任意调节功能,而不影响 LED 灯的寿命.变压器次级端再进行整流滤波出的直流直接与 LED灯进行相连接,从而满足试验对光的需求.
2 试验
2. 1 试验材料
平菇:由东北农业大学资源与环境学院提供.PDA 培养基:马铃薯 200g( 去皮、煮沸、取汁) ,琼脂 20g,葡萄糖 20g,加水至 1000mL,供平菇菌丝体生长.
2. 2 试验设备
1) 食用菌生化培养箱:由上海博讯实业有限公司医疗设备厂提供 SFX-250B-Z 型生化培养箱 6 台,可实现温度、湿度、CO2浓度及通风的设定与显示.
2)光源:采用可调光功能的 LED 灯,红、橙、黄、绿、蓝、白色各 1 个,大小规格 400mm ×400mm.
3)光照度计:泰仕(TES)牌型号 TES1339 高精度专业照度计,测量范围 0. 01 ~ 999 900lux 级别,采用标定分度量 1lux. .
2. 3 试验方法
试验于 2013 年 10 月 - 2014 年 3 月在东北农业大学微生物菌种实验室进行.将 3 组接好平菇菌种的培养皿分别放置于装有LED 白灯的生化培养箱、黑暗条件及自然光( 对照组)条件下,温度设定在 24 ~ 25℃,湿度设定在 60% ~70%,保证 CO2浓度和定时通风.LED 灯距离试验的平菇菌种 30 ~35cm,接种 1 天后,每天开始定时测量菌落直径取平均值,观察处于不同光量条件下平菇菌丝的变化.
将 6 组接好平菇菌种的培养皿分别置于装有红、橙、黄、绿、蓝、白色可调光 LED 灯的食用菌生化培养箱内,温度、湿度、CO2浓度、通风设置同上一致,另设1 组自然光 ( 对照组) .LED 灯距离试验的平菇菌种30 ~ 35cm,接种 1 天后,每天开始定时测量菌落直径,观察不同光质条件下平菇菌丝[9 -10]的平均生长速度及形态特征.
2. 4 数据处理
利用 MatLab 软件对测量数据进行处理分析.
3 试验结果与分析
3. 1 不同光量对平菇菌丝生长的影响
3. 1. 1 试验数据
平菇菌株的菌丝体分别在自然、黑暗、LED 白光条件下 10 天内的菌丝生长数据如表 1 所示.
由表 1 可以看出:菌丝直径在黑暗、LED 白光条件下平均增长变化不明显,但二者与对照组(自然)相比每日平均直径增长长度很明显.根据表 1 的试验数据画出平菇菌丝体在自然、黑暗、LED 白光下的散点图[11],这 3 种情况下所呈现的是非线性变化.将其进行线性化,对 MatLab 拟合出来的生长曲线进行对比表明,选择 3 次曲线模型比较适合.回归方程为
3. 1. 2 曲线拟合及回归分析
利用 MatLab 对表 1 中的试验数据进行曲线拟合,可以得到平菇菌丝体在不同光量条件下的生长曲线模型以及最优拟合曲线[12],如图 3 所示.
根据图 3 中的拟合曲线,可以分别得到平菇菌丝在自然、黑暗、LED 白光条件下生长曲线回归方程为
其中,y1、y2、y3,分别代表自然、黑暗、LED 白光的菌丝直径,cm;x 为天数,d.
经过 MATLAB 拟合后的分析结果显示:y1、y2、y3决定系数 R2分别为 0. 997、0. 999、0. 998,均接近 1;校验标准偏差 RMSEC 分别为 0. 122、0. 068、0. 117,经检验误差均在可控范围内,显着性水平 0 < 0. 05,表明拟合程度好且显着.
3. 2 不同光质对平菇菌丝生长的影响
在不同 LED 光源光质条件下,10 天内平菇菌丝直径的日平均生长速度如图 4 所示.图 4 中显示:经过 LED 光处理组均优于自然组,菌丝增长速度的先后顺序为:红色、橙色、绿色、黄蓝色、白色,且黄色和蓝色日平均增长速度接近,变化不明显.对于试验组的6 种光处理,平菇菌丝经过 LED 红光处理直径日平均增长速度是 5. 502cm /d,对橙色、绿色达到 5. 183、5. 047cm / d,对黄色、蓝色、白色光处理较低,分别为4. 428、4. 395、4. 136cm / d.因此,经过 LED 光源处理充分表现了平菇菌丝对光质的敏感度.
不同 LED 光质对平菇菌丝体培养性状影响如表2 所示.
由表 2 可以看出:红色光源的菌丝密度很浓密,次之的是橙色、绿色的菌丝密度表现一样,自然的菌丝较稀疏.从菌落的形态上看,红色、橙色、绿色的菌落呈现螺纹状生长,自然和白光处理的菌落呈现菌丝放射性线形状生长.从颜色上看,各组没有明显的变化.
从边缘的整齐度上看,橙色表现较整齐,而黄色表现不整齐.
经过对图 4 和表 2 的分析可知:不同 LED 光源光质条件下,红光较适合平菇菌丝的生长,其次是橙色光和绿色光.方法同上所述,可以得到红光条件下平菇菌丝的最优生长拟合曲线下的回归方程为
式中 y4-代表 LED 红光的菌丝直径(cm);
x-天数( d) .
决定系数 R²为 0. 999,接近于 1;校验标准偏差RMSEC 为 0. 12,经检验误差在可控范围内;显着水平 0< 0. 05,表明拟合程度好且显着.
4 结论
1) 本文将现代 LED 技术与设施农业相结合,实现环保、节能的目标,达到反季节栽培对光需求的目的.LED 技术将是未来食用菌产业的新方向.
2) 试验显示:平菇菌丝体在黑暗和 LED 白光的条件下相对于对照组变化明显,但二者间的变化不明显.LED 红光最适合平菇菌丝体的生长,橙色、绿色次之,黄色、蓝色、白色光 3 种条件下平菇菌丝变化不明显.同时,通过 MatLab 进行曲线拟合,为平菇菌丝建立最优的生长模型,充分了解平菇菌丝的生长特性,从而为今后食用菌温室监控系统的研究提供有利的依据.
参考文献:
[1] 暴增海,杨辉德,王莉. 食用菌栽培学[M]. 北京:中国农业科学技术出版社,2010.
[2] 高学敏,胡永光. 金针菇工厂化生产环境控制模拟模型[J]. 中国食用菌,2004,23(2):22 -24.
[3] 李玉. 我国食药用真菌产业发展前瞻[J]. 微生物学杂志,2013(1):1 - 3.
[4] 贾文庆. 食用菌设施栽培智能控制系统初探[D]. 福州:福建农林大学,2005.
[5] 李玉,于海龙,周峰,等. 光照对食用菌生长发育影响的研究进展[J]. 食用菌,2011 (2):3 -4.
[6] Rodriguez - Romero J,Hedtke M,Kastner C,et al. Fungi,hidden in soil or up in the air: light makes a difference[J].Annual Review of Microbiology,2010,64: 585 - 610.
[7] 田雪梅,宋爱荣,张国利,等. 不同光质光量对灵芝 MP -01 菌株菌丝生长的影响[J]. 食用菌,2007,29(5):8 - 9.
[8] 宋卫东,王明友,肖宏儒,等. 我国食用菌工厂化生产技术[J]. 中国农机化,2012(6) :80 - 82.
[9] 黄文芳. 不同光量光质的光对凤尾菇菌丝生长的影响[J]. 食用菌,1994(3):2 -3.
[10] 应正河,林衍铨,马璐,等. 不同光质光量对绣球菌菌丝生长及原基形成的影响[J]. 福建农业学报,2013,28(6):538 - 540.
[11] 李柏年,吴礼斌. MATLAB 数据分析方法[M]. 北京:机械工业出版社,2012.
[12] 苏金明,张莲花,刘波,等. MATLAB 工具箱应用[M]. 北京:电子工业出版社,2004.
