Laura Carotti, Giulia Potente, Giuseppina Pennisi, Karina B. Ruiz, Stefania Biondi, Andrea Crepaldi, Francesco Orsini, Giorgio Gianquinto e Fabiana Antognoni

Pulsed LED Light: Exploring the Balance between Energy Use and Nutraceutical Properties in Indoor-Grown Lettuce

Agronomy 2021, 11, 1106; doi: 10.3390/agronomy11061106

L’utilizzo della tecnologia LED in orticoltura sta aprendo promettenti scenari nel campo delle coltivazioni indoor, come nel caso del vertical farming. I moduli LED sono caratterizzati da una lunga lifetime, elevata efficienza di utilizzo dell’energia elettrica e rapida capacità di accensione/spegnimento. Inoltre, con questa tecnologia è possibile selezionare lo spettro di emissione in funzione della coltura, dello stadio fenologico e della possibilità di migliorare/arricchire la composizione biochimica degli ortaggi. Tuttavia, i LED sono caratterizzati da elevati costi di investimento; infatti, pur avendo un’elevata efficienza elettrica, rappresentano il 25-30% dei costi operativi nel vertical farming. L’obiettivo di questa ricerca è stato quello di incrementare l’efficienza di utilizzo dell’energia elettrica dei LEDattraverso l’utilizzo della radiazione pulsante: la modifica della frequenza di accensione e spegnimento della radiazione artificiale, nonché dei periodi di buio/luce giornalieri. L’utilizzo della luce pulsante si basa sul fatto che l’attività fotosintetica delle piante si svolge in due fasi (fase alla luce e fase al buio). Nella fase alla luce le piante convertono l’energia luminosa in energia chimica (il processo avviene in nano o millisecondi), mentre nella fase al buio viene assimilata la CO2 e questo processo necessita di secondi o minuti.

L’attività di ricerca descritta nel lavoro è stata svolta in ambiente indoor su lattuga, specie ampiamente utilizzata nel vertical farming e caratterizzata da una crescita piuttosto veloce. Per i trattamenti sperimentali sono stati utilizzati LED con rapporto tra rosso e blu di 3:1, PPFD di 215 µmol·m−2·s−1 e fotoperiodo di 16 ore. Nei due trattamenti a luce pulsante, le frequenze di switch utilizzate per la sola radiazione blu sono state di 850 kHz (alta frequenza) e 239 kHz (bassa frequenza), mentre la frequenza di switch della radiazione rossa è stata mantenuta vicino ai 440 kHz. Il trattamento “controllo” è stato rappresentato da lampade fluorescenti a luce continua.

Dallo studio dei parametri di crescita e morfologici della coltura è emerso che i trattamenti di radiazione artificiale pulsante utilizzati non hanno influenzato in maniera significativa la coltivazione. Tuttavia, questi parametri andranno studiati nuovamente in una nuova prova sperimentale, con la possibilità di poter utilizzare più campioni per le analisi. Anche l’efficienza di utilizzo dell’acqua non è stata influenzata dai trattamenti luminosi e si è attestata intorno a 55 g di peso fresco per litro di soluzione nutritiva utilizzata. In campo aperto questo valore è compreso tra i 5 e 20 g di peso fresco per litro di soluzione nutritiva ed in serra è pari a 5–60 g di peso fresco per litro di soluzione nutritiva.

Considerando l’efficienza di utilizzo dell’energia elettrica, invece, il trattamento a bassa frequenza ha permesso di efficientare l’utilizzo della risorsa energetica raggiungendo valori di 123 g di sostanza fresca prodotta per kWh di energia elettrica consumata. Ciò ha permesso di incrementare del 42% l’efficienza d’uso dell’energia elettrica rispetto al trattamento ad alta frequenza e di 2,7 volte rispetto al controllo. Inoltre, variando la frequenza di pulsazione non sono emerse differenze significative sul contenuto fenolico totale della lattuga. Più in particolare, l’acido cicorico e l’acido caftarico sono aumentati nel trattamento ad alta intensità di frequenza, mentre tra il trattamento a bassa frequenza ed il controllo non sono emerse differenze significative. Anche considerando i flavonoidi, la concentrazione di isoquercitina e luteolina è risultata essere rispettivamente 15 e 50 volte maggiore per le lattughe coltivate sotto luce pulsante rispetto al controllo: l’utilizzo di luce pulsante potrebbe aver agito come un fattore di stress abiotico, con conseguente aumento della sintesi di flavonoidi e derivati ​​dell’acido cinnamico, come meccanismo fisiologico di protezione dei fotosistemi. Inoltre, la lattuga coltivata con luce pulsante ha mostrato un incremento di sostanze antiossidanti di circa il 60% rispetto al controllo.  

Pertanto, l’aumento dell’acidità titolabile osservato nelle foglie di lattuga coltivate con luce pulsante è stato probabilmente correlato alla maggiore abbondanza di alcuni componenti polari non identificati durante questo lavoro. Poiché le piante sono apparse sane e la loro crescita non è stata inibita, la mancanza dell’effetto o della sotto regolazione dei geni che codificano per gli enzimi antiossidanti suggeriscono che, sia sotto l’illuminazione a LED ad alta che a bassa frequenza di pulsazione, le piante non sono state sottoposte a condizioni che hanno indotto stress ossidativo, o che le aumentate concentrazioni di antiossidanti non enzimatici possono aver contribuito a proteggere le piante da possibili stress da luce.

In sintesi, una bassa frequenza di pulsazione ha portato ad un notevole risparmio energetico pur ottenendo produzioni simili al controllo, ma non ha rafforzato il contenuto nutraceutico delle foglie di lattuga, a differenza della frequenza di pulsazione più alta che, invece, l’ha esaltato.

HTML e PDF: https://doi.org/10.3390/agronomy11061106