The influence of the spectral composition of artificial lighting on the biochemical composition of tomato fruits Solanum lycopersicum L.

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Light is an important environmental factor that regulates the accumulation of micro- and macroelements and organic acids in tomato fruits. The use of LEDs for lighting during the growth and development of tomatoes is an effective method for improving the quality of tomato fruits. In this study, LED light sources with a combined spectral composition and high-pressure discharge lamps were used to grow tomatoes in a climate chamber. Using capillary electrophoresis, the mass fractions of cations (ammonium, potassium, sodium, magnesium and calcium ions), anions (chloride, nitrate, sulfate and phosphate ions) and organic acids were determined. It has been established that the type of light sources and the spectral composition of optical radiation are one of the key factors in improving the quality of tomatoes. When grown under LEDs, the concentration of malic acid in tomato fruits increased by 60%, succinic acid by 2 times, and magnesium by 14% and calcium by 57% compared to the fruits of tomato plants grown under gas-discharge lamps. Thus, by selecting the spectral composition of optical radiation, it is potentially possible to increase the content of target components and improve the taste of tomatoes.

Full Text

Введение

Томат (Solanum lycopersicum L.) относится к семейству пасленовых и является одной из наиболее широко потребляемых фруктовых культур в мире. В 2022 г. в России производство помидоров защищенного грунта составило 1069,0 тыс. т [1].

К качествам томатов относятся, их внешний вид, вкус, пищевая ценность [2]. Сладкий вкус помидоров в основном обусловлен фруктозой и глюкозой, а кислый вкус – лимонной и яблочной кислотами [3]. Было установлено, что наиболее важными факторами, определяющими высокие вкусовые качества томатов, являются более высокое содержание лимонной кислоты и более низкое содержание воды [4]. Поэтому содержание сахаров и кислот часто используется в качестве важных показателей для оценки вкуса томата. Высокое содержание щавелевой кислоты является неблагоприятным фактором для томатов с точки зрения здоровья человека, так как снижается скорость использования кальция, и может увеличиться риск образования камней в почках [5].

Для усовершенствования технологии культивирования овощной продукции в защищенном грунте важны исследования накопления микро- и макроэлементов в зависимости от вида растений и условий их выращивания. Внешняя среда (например, свет, вода и удобрения) также играет важную роль в регуляции синтеза витаминов и органических кислот [6]. В последнее время в защищенном грунте постепенно внедряются светодиодные источники света для облучения растений [7]. Благодаря возможности подбора спектрального состава излучения светодиодные источники света позволяют оптимизировать условия выращивания под конкретную овощную культуру. Ранее нами были проведены исследования влияния спектра излучения натриевых ламп и светодиодов с преобладанием красного и синего излучения на экстракцию микро- и макроэлементов в листьях огурца, томата и салата [8]. Было установлено, что с увеличением доли зеленого света в варианте с натриевыми лампами в листьях огурца и томата коэффициент накопления магния (а в листьях томата еще и железа и марганца) был выше, чем при облучении светодиодами. Другое исследование по выращиванию томатов в теплице с дополнительной светодиодной досветкой показало, что облучение монохроматическим светом красных светодиодов привело к большему накоплению солей фосфора (P-PO4) и калия (K+) и меньшему накоплению азота (N-NO3) по сравнению с контрольной группой, которая не подвергалась дополнительному светодиодному освещению [9]. Красные светодиоды также увеличивают содержание магния и кальция в плодах томатов – на 74 и 40% по сравнению с натриевыми лампами, а добавление дальнего красного диапазона излучения еще больше увеличивает содержание и концентрацию натрия [10]. К тому же спектр света влияет на сенсорные характеристики томатов и морфологию листьев [11]. Снижение качества плодов происходит при использовании верхних натриевых ламп в качестве дополнительного источника света при выращивании томатов в теплицах.

Таким образом, различные участки спектра по-разному влияют на накопление микро- и макроэлементов и органических кислот в плодах томатов. Комбинируя светодиоды с разными диапазонами излучения, можно улучшить питательную ценность и вкусовые качества томатов. Целью этого исследования было оценить влияние светодиодных источников света с комбинированным спектральным составом на биохимический состав плодов томатов Solanum lycopersicum L., выращенных в климатической камере.

Материалы и методы

Объектом исследований был выбран сорт Благодатный селекции ФГБНУ «Федеральный научный центр овощеводства». Сорт отличается среднеранним развитием от массовых всходов до созревания 98–107 суток, детерминантным типом. Растения томатов выращивались в двух климатических камерах (по 30 в каждой камере) под разным освещением на минераловатном субстрате с капельным поливом. Для полива использовался стандартный раствор Кнопа. Микроклиматические параметры в камере поддерживались с помощью климатического компьютера. Относительная влажность воздуха выдерживалась на уровне 60±10%, температура воздуха день/ночь – 25/18±5 °С.

Для проведения экспериментальных исследований использовали светодиодное освещение (СИД) с суммарной облученностью ФАР 278±10 ммоль/м²с. Распределение облученности по спектральным диапазонам: синий (47,9 ммоль/м²с), зеленый (62,7 ммоль/м²с), красный (119,6 ммоль/м²с) и дальний красный (48,3 ммоль/м²с). Спектральный состав излучения опытного варианта представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Спектральный состав опытного светодиодного освещения (СИД) в климатической камере при выращивании растений томатов

 

В качестве контрольного источника освещения использовали комбинацию из двух натриевых трубчатых ламп высокого давления ДНАТ-600 и одной металлогалогенной лампы ДРИ-600 с цветовой температурой 4000 К. Облученность ФАР составляла 270±10 ммоль/м²с. Спектральный состав излучения контрольного варианта представлен на рис. 2.

 

Рис. 2. Спектральный состав контрольного варианта освещения в климатической камере при выращивании растений томатов

 

Измерения плотности потока фотонов и спектрального состава излучения проводили с помощью прибора MK350D Compact Spectrometer (UPRtek Corp. Miaoli County, Taiwan).

Определение массовой доли катионов (ионов аммония, калия, натрия, магния и кальция), анионов (хлорид-, нитрат-, сульфат- и фосфат-ионов) и органических кислот проводилось методом капиллярного электрофореза с использованием аналитического комплекса на основе системы капиллярного электрофореза «Капель-205» (Россия).

Для исследования отбирались плоды томата с 5 растений, выбранных случайным образом. Анализ данных оценивали методами дисперсионного анализа с использованием программного обеспечения STADIA 8.0 (Россия). Для проверки достоверности полученных данных использовали тест Дункана при уровне вероятности p ≤0,05.

Результаты и обсуждение

В результате проведенного биохимического анализа методом капиллярного электрофореза был определен состав органических кислот в плодах томата (рис. 3). по соотношению концентраций всех проанализированных органических кислот в плодах преобладает лимонная кислота, далее по содержанию – яблочная кислота. Тип освещения не повлиял на накопление щавелевой кислоты, ее значение варьировало в пределах 1,84–2,08 мг/100 г. Плоды томатов с незначительным содержанием щавелевой кислоты рекомендуются для употребления при диетическом питании [12].

 

Рис. 3. Содержание органических кислот в плодах томата сорта Благодатный. Наличие символа астериска указывает на значительные различия между экспериментальными и контрольными образцами (p <0,05)

 

Светодиодное освещение оказывало лучшее воздействие на синтез указанных выше органических кислот. Содержание яблочной кислоты в плодах томатов при светодиодном освещении составило 34,43 мг/100 г сырой массы по сравнению с натриевым освещением (контроль) – 21,28 мг/100 г сырой массы плодов томатов. Яблочная кислота отвечает за метаболизм обмена веществ в живых организмах, поэтому увеличение концентрации кислоты положительно влияет на обменные процессы.

Минеральные вещества являются незаменимыми микронутриентами питания человека, которые должны ежедневно потребляться с пищей. К важным макроэлементам относят калий, кальций, магний, фосфор и серу. Нами был изучен катионно-анионный состав плодов томатов, выращенных под разным освещением (рис. 4).

 

Рис. 4. Содержание основных катионов и анионов в сырой массе плодов томатов сорта Благодатный. Наличие символа астериска указывает на значительные различия между экспериментальными и контрольными образцами (p <0,05)

 

Освещение в большей степени повлияло на содержание магния, кальция и серы в плодах томатов. Повышенное содержание макроэлементов наблюдалось в плодах при светодиодном освещении. Выявлено, что при светодиодном освещении концентрация магния составила 11,2 мг/100 г, что по отношению к контролю 9,8 мг/100 г больше на 14,3%. Светодиоды могли привести к временному повышению содержания магния в листьях в качестве защитного механизма растений от чрезмерного поглощения излучения ФАР, так как спектр излучения светодиодов хорошо согласуется со спектром поглощения основных фотосинтетических пигментов растений. Это впоследствии привело к увеличению концентрации магния в плодах.

Как видно из рис. 4, светодиодное освещение также значительно повлияло на накопление кальция в плодах томатов с прибавкой в 57,7% и серы, что также наблюдалось и в другом исследовании [10]. по содержанию калия, натрия и фосфора различий между изучаемыми вариантами освещения не наблюдалось.

Следует отметить, что наблюдаемые различия в биохимическом составе могут быть вызваны множеством факторов, таких как равномерность распределения света, спектр излучения, а также изменения микроклимата, создаваемого этими источниками света. Например, газоразрядные лампы содержат в спектре излучения много инфракрасной составляющей, что повышает температуру листьев, особенно верхней части растений [7]. Увеличение температуры листьев влияет на транспирацию и, следовательно, может повлиять на потребление и накопление микро- и макроэлементов, это требует дальнейшего изучения.

Выводы

Наши исследования показали, что тип источников света и спектральный состав оптического излучения освещения являются одними из ключевых факторов повышения качества томатов. Светодиоды позволяют снизить потребление энергии и улучшить качественные характеристики томатов. Установлено, что под светодиодами в плодах томата больше накапливались яблочная и янтарные кислоты, магний, кальций и сера. Подбирая спектральный состав оптического излучения светодиодов, потенциально можно увеличить содержание целевых компонентов и улучшить вкусовые качества томатов.

×

About the authors

Inna V. Knyazeva

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: knyazewa.inna@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1065-1814

Candidate of Sciences in Biology, Senior Researcher

Russian Federation, Moscow

Alexander A. Smirnov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: alexander8484@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0002-9236-2281

Candidate of Sciences in Technique, Senior Researcher

Russian Federation, Moscow

References

  1. Butov I.S. Ob”yem rynka i potrebleniye tomatov v Rossii = [Market volume and consumption of tomatoes in Russia]. Potatoes and Vegetables (Russia). 2024;(1):12–16. (In Russ.).
  2. Ilahy R., Tlili I., Siddiqui M.W., Hdider C., Lenucci M.S. Inside and beyond color: Comparative overview of functional quality of tomato and watermelon fruits. Frontiers in Plant Science. 2019;10. 769.
  3. Zhang J., Liu S., Zhu X., Chang Y., Wang C., Ma N., Wang J., Zhang X., Lyu J., Xie J. A Comprehensive Evaluation of Tomato Fruit Quality and Identification of Volatile Compounds. Plants. 2023;12. 2947.
  4. Knyazeva I.V., Dorokhov A.S., Vershinina O.V., Myachikova N.I., Grishin A.А., Gudimo V.В., Georgescu C. The effect of amber acid on the productivity and chemical composition of tomatoes grown in a climatic chamber. Scientific Study & Research Chemistry & Chemical Engineering, Biotechnology, Food Industry. 2021;22(3):311–319.
  5. Palmieri F., Estoppey A., House G.L., Lohberger A., Bindschedler S., Chain P.S., Junier P. Oxalic acid, a molecule at the crossroads of bacterial-fungal interactions. Advancesin Applied Microbiology. 2019;106:49–77.
  6. Agbede T., Adekiya A., Ale M., Eifediyi E.K., Olatuni C.A. Soil properties, growth, fruit yield, mineral, lycopene and vitamin C contents of tomato (Lycopersicon esculentum Mill) grown with green manures and NPK fertilizer. Agriculturae Conspectus Scientificus. 2018;83:291–297.
  7. Burynin D.A., Smirnov A.A. Obzor istochnikov osveshcheniya dlya teplichnykh khozyaystv i fabric rasteniy = [Overview of the grow lights used in greenhouses and plant factories]. Elektrotekhnologii i Elektrooborudovanie v APK (Russia). 2021;68(1):105–113. (In Russ.).
  8. Kholmansky A.S., Smirnov A.A., Zaitseva N.V. Zavisimost’ ekstraktsii mikro- i makroelementov kul’turnymi rasteniyami ot spectra izlucheniya fitoobluchatelya = [Dependence of the extraction of micro- and macroelements by cultivated plants on the radiation spectrum of the phyto-irradiator]. Agrophysics (Russia). 2019;1:52–59. (In Russ.).
  9. Neaţă D.S., Popescu G., Popa P., Drăghici E.E., Dobrinoiu M., Nicolae R., Vișan I. Biochemical changes, induced by led light, in tomato plants, grown in the integrated management system (SMI) of agroecosystem resistance. Scientific Papers. Series A. Agronomy. 2021;64(1).
  10. Kim H., Yang T., Choi S., Wang Y., Lin M., Liceaga A.M. Supplemental intracanopy far-red radiation to red LED light improves fruit quality attributes of greenhouse tomatoes. Scientia Horticulturae. 2019;261. 108985.
  11. Rakutko S.A., Rakutko E.N., Medvedev G.V. Development of an Experimental Phytotron and its Application in the Research on the Energy-ecological Efficiency of Indoor Plant Lighting. Agricultural Machinery and Technologies. 2023;17(2):40–48. (In Russ.). https://doi.org/10.22314/2073-7599-2023-17-2-40-48.
  12. Shikh E.V., Elizarova E.V., Makhova A.A., Bragina T.V. Rol’ tomatov i produktov iz nikh v zdorovom pitanii cheloveka = [The role of tomatoes and products made from them in healthy human nutrition]. Voprosy Pitaniya (Russia). 2021;90(4):129–137. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Spectral composition of experimental LED lighting in a climate chamber for growing tomato plants

Download (35KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Spectral composition of the control lighting variant in a climate chamber when growing tomato plants

Download (31KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Content of organic acids in fruits of the tomato variety Blagovatny. The presence of the asterisk symbol indicates significant differences between the experimental and control samples (p <0.05)

Download (56KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Content of the main cations and anions in the raw mass of the Blagovatny tomato variety. The presence of the asterisk symbol indicates significant differences between the experimental and control samples (p <0.05)

Download (49KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences