自动化栽培系统下的可持续微蔬菜生产：基于多变量分析的营养与功能特性研究

本研究开发了全自动微蔬菜栽培柜（confetti cabinet），通过实时传感器监测和PLC控制优化环境参数（温度、湿度、CO2、光照等），对比分析韭葱、苋菜和马齿苋在自动化与实验室环境下的营养差异。结果显示，柜栽韭葱的维生素C含量显著提升（74.27 vs. 62.68 ppm），马齿苋抗氧化活性最高（EC50 174.64 μg/mL），PCA揭示Na、Mg、B等微量元素分布受环境显著影响，为功能性食品生产提供可持续解决方案。

　　

引言

全球粮食需求增长与气候变化背景下，可持续农业技术成为关键。微蔬菜（microgreens）因其高营养密度和短生长周期成为研究热点，但其品质易受环境波动影响。本研究首次将物联网（IoT）与可编程逻辑控制器（PLC）整合，开发全自动微蔬菜栽培柜，实现CO₂（400 ppm）、湿度（51%）、光照光谱等参数的精准调控，为功能食品生产提供标准化平台。

材料与方法

物种选择：实验选用韭葱（Allium ampeloprasum var. porrum）、苋菜（Amaranthus hybridus）和马齿苋（Portulaca oleracea），以泥炭为基质（N 0.8%，pH 6）。

自动化系统：栽培柜配备RGB LED光源（5050型）、MH-Z19C传感器（监测CO₂、温湿度）、不锈钢排水托盘（15°倾角）和PLC（Delta DVP28SV11T2），通过DOPSoft软件实现触摸屏控制。

实验设计：对比柜栽（恒温22°C）与实验室（昼夜23/16°C）环境，测定干物质、维生素C（滴定法）、蛋白质（凯氏定氮法）、矿物质（ICP-OES）及抗氧化能力（DPPH法）。

结果与讨论

营养差异：

• 柜栽韭葱维生素C显著高于实验室（74.27 vs. 62.68 ppm，p<0.05），归因于光温稳定性降低氧化损耗。

• 马齿苋抗氧化活性最强（EC₅₀ 174.64 μg/mL），与其高酚类含量相关。

• 微量元素分布显示种间特异性：苋菜Zn含量（38.85–40.17 ppm）仅为马齿苋（217.53–236.84 ppm）的1/6，而韭葱的Na在实验室环境下升高42%（1126.57 vs. 745.38 ppm）。

相关性分析：

• Mg与P、K、N呈强正相关（r>0.85），而Cu与K、Mg负相关（r=?0.98），暗示离子竞争效应。

• 干物质与蛋白质正相关（r=0.882），但与N、P负相关（r

形态学观察：柜栽微蔬菜形态更均一，如马齿苋冠层紧凑，而实验室样本出现茎秆徒长，印证环境波动对表型的影响。

未来方向

当前研究限于3个物种，未来需扩展至十字花科等高经济价值品种，并评估系统在极端气候下的适应性。经济性分析将是商业化应用的关键。

结论

全自动栽培系统通过精准控制提升微蔬菜营养品质，尤其对光敏感成分（如维生素C）效果显著。种间差异（如苋菜的稳定性与马齿苋的高抗氧化性）为定制化生产提供依据，推动可控环境农业（CEA）向数字化、可持续化发展。