水分亏缺对日光温室基质栽培番茄果实营养和风味品质的影响
2021-06-30刘晓奇肖雪梅王俊文唐中祺武玥刘泽慈张丹郁继华
刘晓奇 肖雪梅 王俊文 唐中祺 武玥 刘泽慈 张丹 郁继华
摘要: 為探明提高番茄品质的水分调控机制,在日光温室基质栽培条件下,以番茄(Solanum lycopersicum)品种181为材料,设置4个不同灌水处理,以田间最大持水量90%和75%为上、下限灌溉作为对照(正常灌溉),分别以正常灌溉量的80%、60%和40%作为轻度水分亏缺(T1)、中度水分亏缺(T2)和重度水分亏缺(T3)处理。结果表明,轻度水分亏缺和中度水分亏缺均能够提高番茄的风味品质,其中轻度水分亏缺下番茄果实可溶性糖和有机酸含量分别比对照提高12.81%和10.34%,而中度水分亏缺处理可溶性糖含量提高20.60%,轻度水分亏缺和中度水分亏缺处理番茄果实的糖酸比分别增加2.33%和20.70%。中度水分亏缺处理挥发性物质的种类为70种,含量为3 706.62 μg/kg;轻度水分亏缺处理挥发性物质的种类为60种,含量为3 090.11 μg/kg;对照挥发性物质的种类为57种,含量为2 236.64 μg/kg。番茄水分亏缺处理增加了具有花香气味的特征性挥发物质β-紫罗兰酮的含量,在中度水分亏缺处理中β-紫罗兰酮的含量最高。同时在对照番茄果实中检测到具有焦糖气味的2-甲基丁醇和具有苹果香味的顺-3-己烯醇2种特征性挥发物质,而在3个水分亏缺处理中均没有检测到。中度水分亏缺处理可溶性固形物、果实硬度、单果干物质含量、番茄红素含量、维生素C含量较对照分别增加了18.80%、27.34%、5.89%、13.30%和14.49%。综合各个指标,中度水分亏缺即60%正常灌水量可显著提高番茄果实的风味和营养品质,并达到生理节水的效果,可作为日光温室基质栽培高品质番茄的灌溉制度。
关键词: 番茄;日光温室;基质栽培;水分亏缺;营养品质;风味品质
中图分类号: S641.2 文献标识码: A 文章编号: 1000-4440(2021)02-0443-11
Abstract: Tomato (Solanum lycopersicum) variety 181 was used as the test material under the condition of substrate culture in the solar greenhouse to study the regulatory mechanism of water in improving tomato qualities. Four different irrigation treatments were set, among them, 90% and 75% of the field maximum moisture capacity were set as the upper limit and lower limit of irrigation respectively and were used as CK (normal irrigation). 80%, 60% and 40% of the normal irrigation amount were used as mild water deficit treatment (T1), moderate water deficit treatment (T2) and severe water deficit treatment (T3). The results showed that, mild water deficit treatment and moderate water deficit treatment could improve the flavor quality of tomatoes, and the soluble sugar content and organic acid content in tomato fruits under mild water deficit treatment increased by 12.81% and 10.34% compared with that of control, respectively. Under the treatment of moderate water deficit, the soluble sugar content increased by 20.60% compared with that of control. Ratio of fruit sugar to fruit acid in tomatoes under mild water deficit treatment and moderate water deficit treatment increased by 2.33% and 20.70% respectively. There were 70 types of volatile substances with a content of 3 706.62 μg/kg under moderate water deficit treatment, while under mild water deficit treatment, there were 60 types of volatile substances with a content of 3 090.11 μg/kg. There were 57 types of volatile substances with a content of 2 236.64 μg/kg under CK treatment. The content of β-ionone (a characteristic volatile substance with floral odor) was increased under water deficit treatment of tomato, and was the highest under the treatment of moderate water deficit. Meanwhile, two characteristic volatile substances such as 3-methyl-butanol with caramel odor and cis-3-hexenol with apple flavor were detected in the tomato fruits under control treatment, but were not detected under three other treatments of water deficit. The soluble solids content, fruit firmness, dry matter content of single fruit, lycopene and vitamin C contents under moderate water deficit treatment increased by 18.80%, 27.34%, 5.89%, 13.30% and 14.49% respectively, compared with the control treatment. Based comprehensive consideration of all the indexes, moderate water deficit (60% normal irrigation amount) treatment can improve the flavor and nutritional qualities of tomato fruits significantly and achieve physiological water-saving effect, which can be used as the irrigation system for the cultivation of high-quality tomatoes by substrate in solar greenhouse.
Key words: tomato;solar greenhouse;substrate culture;water deficit;nutritional quality;flavor quality
中国的水资源相对匮乏,农业又是需水量极高的产业[1]。在传统的大水漫灌方式下生产的蔬菜产品品质较差、产业化水平低,制约了蔬菜的加工利用[2]。在获得高产、高效生产的同时提高水分利用效率和蔬菜产品品质成为今后中国蔬菜产业发展中重要研究方向[3]。
番茄是中国西北地区日光温室栽培的主要特色经济蔬菜之一。近年来番茄种植面积不断扩大,产品供应已经基本满足了市场的需求,番茄生产的目的也由过去仅仅关注产量逐渐转向注重果实品质的提高和绿色生产,以促进番茄产业的可持续发展。尤其是人们越来越注重番茄的风味[4]。相对于野生种,栽培种的遗传多样性大幅减少,一些风味基因也随之消失 [5]。另外栽培技术、管理措施也极大地影响番茄的品质。许多研究结果表明水分和肥料是影响园艺产品品质和质量的重要因素[6]。郭海涛等[7]的研究结果表明亏缺灌溉提高了成熟期番茄果实中可溶糖含量、有机酸含量及糖酸比。刘明池等[8]通过试验发现亏缺灌溉提高了樱桃番茄果实维生素C含量、可溶性固形物含量,并明显提高了水分的利用效率。但供试番茄品种大多是普通番茄品种,且测定的品质指标比较单一,不够深入,不能够全面、系统地反映水分亏缺对番茄营养和风味品质的影响。
本研究以番茄高糖品种181为材料,研究不同水分亏缺程度对日光温室基质栽培番茄营养、风味品质及产量的影响,以期建立适合中国国情的水分管理制度,为番茄高品质栽培提供技术支撑。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验以高糖品种181番茄为试验材料。
1.2 试验设计
试验于2019年9月至2020年4月在甘肃省兰州市榆中县李家庄田园综合体六区3号日光温室内进行。2019年9月15日播种,11月2日定植,定植后进行正常水分管理,在第一穗果坐住时(果实直径1 cm)进行不同程度水分亏缺灌溉处理。试验共设4个处理:对照(CK)灌水下限为田间最大持水量的75%,每次灌水至田间最大持水量的90%[9];轻度水分亏缺(T1)、中度水分亏缺(T2)、重度水分亏缺(T3)处理与CK同时进行灌溉,灌溉量分别为CK的80%、60%、40%。在水分处理过程中,用TRIME PICO 32土壤水分温度传感器实时监测基质含水量,灌水量由水表读出,压力由回水装置控制。灌水量计算公式:M=S×r×h×Q×(q1-q2) [10],式中M为计划灌溉量(m3),S为试验小区面积(3.6 m2),r为基质容质量(583.91 kg/m3),h为计划湿润层深度(0.3 m),Q為田间最大持水量(76.55%),q1、q2分别代表灌水上、下限。灌水量计算结果见表1。
1.3 测定项目与方法
当第7穗番茄果实坐果后摘心,选取第3穗果实进行取样。在每个小区内随机选择6个成熟度一致的番茄果实,其中3个果实用于测定外观品质,剩余的3个果实用匀浆机打碎混匀后,用于测定营养和风味品质。每处理重复3次。
1.3.1 外观品质测定 使用 GY-4 数显式水果硬度计测定果实硬度。使用1/10 000精度电子天平称量番茄果实鲜质量,然后105 ℃ 杀青 15 min 后,80 ℃烘干至恒质量,称量并记录干物质质量。使用游标卡尺测量果实横径、纵径,并计算果形指数,果形指数为纵经与横径之比[11-12]。番茄色泽指标采用KONIC MINOLTA色差计测定,仪器中L*、a*、b*分别代表亮暗程度、红绿程度、黄蓝程度。L*数值为0时为黑,100时为白;a*正值时为红,负值时为绿;b*正值时为黄,负值时为蓝[13]。色光值计算公式为:色光值=2 000×a*/L*( a*2+ b*2) 12。
1.3.2 营养品质测定 使用PAL-1手持式折射计测定可溶性固形物含量,维生素C含量、可溶性蛋白质含量、硝酸盐含量分别采用钼蓝比色法、考马斯亮蓝法、水杨酸法测定[11-12]。采用碱液滴定法和蒽酮比色法测定有机酸含量和可溶性糖含量 [11-13] ,并计算糖酸比。番茄红素的提取参照 T/CCCMHPIE1.28-2018 的方法,稍加改动,使用高效液相色谱(HPLC)法测定含量[14]。
1.3.3 风味品质测定 番茄糖组分和有机酸组分均采用高效液相色谱法测定。番茄挥发性物质含量采用顶空-固相微萃取-气相色谱-质谱联用法(HS-SPME-GC-MS)测定。
1.3.3.1 测定可溶性糖含量的色谱条件 色谱柱:LC-NH2(460 mm×250 mm);检测器:示差折光检测器;流动相:乙腈∶水=75∶25(体积比),流动相经超声波脱气30 min;流速:1.00 ml/min;柱温:30 ℃;进样量:20 μl[14]。
1.3.3.2 测定有机酸含量的色谱条件 色谱柱:Hi-PiexH (300.0 mm×7.7 mm);检测器:紫外检测器;检测波长:210 nm;流动相:10 mmol/L H2SO4;柱温:50 ℃;流速:0.4 ml/min;进样量:20 μl[14]。
1.3.3.3 测定挥发性物质的色谱和质谱条件 色谱条件:选用 DB-WAX 弹性石英毛细管柱(20 m×0.18 mm,0.18 μm);进样口温度: 250 ℃;载气:高纯氦气,流速1.0 ml/min。质谱条件:电子电离(electro nionzation,EI);离子源温度: 200 ℃ [15]。
1.3.4 产量测定 待番茄成熟后,分批次采收1~7穗果,称量记录每处理单果质量和单株果数,并换算成产量[15]。
1.4 数据处理
使用 Microsoft Excel 2010 软件分析数据、Origin8.5作图,利用SPSS 20.0软件Duncans新复极差法进行方差分析,显著性水平为P<0.05。
2 结果与分析
2.1 不同水分亏缺处理对番茄外观品质的影响
如图1所示,不同水分亏缺处理对番茄的大小有显著影响。随灌水量的降低,番茄的单果质量逐渐下降。对照番茄单果质量为121.10 g,T2、T3处理单果质量分别为103.70 g、98.93 g,均显著低于CK,比CK分别降低了14.37%、18.31%。a*、b*值均為正值,说明番茄品种181成熟时果实颜色是红色。4个处理间a*值均存在显著差异,b*值均不存在显著差异。CK和T1处理的番茄果实L*值显著高于T2和T3处理。随着灌水量的减少,各处理色光值逐渐升高,T1、T2、T3处理色光值均显著高于CK,比对照分别高出71.71%、108.83%、137.81%。不同水分亏缺处理下番茄果型指数均在0.70左右,其大小顺序为T1>T2>CK>T3,但各处理之间不存在显著差异。随水分亏缺程度的加重,番茄果实的硬度呈现逐渐上升的趋势,T1、T2和T3处理番茄果实的硬度均显著高于CK,分别提高11.72%、17.71%和27.34%。
2.2 不同水分亏缺处理对番茄营养品质的影响
如表2所示,番茄果实干物质含量随灌水量的减少有小幅度的升高,但处理间不存在显著差异,其范围在10.18 g至10.93 g之间。随着亏水程度的加重,维生素C含量变化呈现先升高后降低的趋势,T1处理最高,T3处理最低,T1处理比CK高38.35%,T3处理比CK低15.29%。可溶性蛋白质含量在2.3 mg/kg至5.0 mg/kg范围内,T2处理含量最高,显著高于CK,比CK提高117.39%。番茄红素含量、硝酸盐含量的变化趋势相同,均随着水分亏缺程度的加重而逐渐增加。T2、T3处理番茄红素含量均显著高于CK,比CK分别高出13.30%、15.24%。不同处理间硝酸盐含量均存在显著差异,T1、T2、T3处理分别比CK显著高出11.49%、49.94%、81.20%。
2.3 不同水分亏缺处理对番茄果实风味品质的影响
2.3.1 不同水分亏缺处理对番茄果实可溶性糖和各糖组分的影响 如表3所示,番茄果实可溶性糖含量随水分亏缺程度的加重呈现先升高后降低的趋势,T1、T2处理可溶性糖含量显著高于CK,较CK处理分别增加12.81%、20.60%,T3处理可溶性糖含量显著低于CK,较CK降低5.03%。不同水分亏缺处理葡萄糖含量均比果糖含量略高,且这2种单糖含量远高于蔗糖含量。果糖和葡萄糖含量随着水分亏缺程度的加重呈现先升高后降低的趋势,T2处理果糖、葡萄糖含量最高,分别为2.47%、2.83%,并且显著高于其他处理,分别比CK高出9.29%、12.30%。T3处理果糖、葡萄糖含量显著低于其他处理,比CK分别降低3.98%、3.97%。番茄果实中蔗糖含量随着水分亏缺程度的加重呈现逐渐降低的趋势,且处理间均存在显著差异。T1、T2、T3处理较CK分别降低16.76%、44.32%、65.13%。
2.3.2 不同水分亏缺处理对番茄果实有机酸和各酸组分的影响 如表4所示,番茄果实中有机酸含量随灌水量的减少呈现先增加后降低的趋势,T1处理有机酸含量最高,为0.64%,比CK高出10.34%。T2、T3处理有机酸含量均比CK低,分别降低6.90%、32.76%。番茄成熟果实中含量最高的有机酸是柠檬酸,除此之外还含有较多的苹果酸、琥珀酸、乙酸、酒石酸、草酸。在6种酸中除乙酸含量在不同处理间均不存在显著差异外,其余5种酸含量均随灌水量的降低呈现先升高再降低的总趋势。其中柠檬酸、琥珀酸T1处理含量最高,苹果酸、酒石酸、草酸T2处理含量最高。T1处理柠檬酸含量最高为6 142.04 mg/kg,比CK显著高出4.61%;T2、T3处理柠檬酸含量显著低于CK,分别降低5.86%、29.68%。T1处理琥珀酸含量显著高于CK,比CK显著增加2.41%;T2、T3处理显著低于CK,比CK分别降低35.42%、28.55%。各处理苹果酸含量在593.81 mg/kg至918.87 mg/kg之间,T2处理含量最高,比CK高出18.88%,T1处理与CK无显著差异,T3处理显著低于CK。T1、T2、T3处理草酸含量和酒石酸含量均显著高于CK,草酸含量分别比CK提高33.20%、63.70%、45.28%,酒石酸含量分别比CK高出37.30%、131.46%、9.23%。
2.3.3 不同水分亏缺处理对番茄果实可溶性固形物含量和糖酸比的影响 如图2所示,番茄果实可溶性固形物含量随灌水量的减少呈现先增加后降低的趋势,T2处理可溶性固形物含量最高,为7.33%,比CK显著高出18.80%。番茄果实的糖酸比随水分亏缺程度的加重逐渐增大。T1、T2、T3处理糖酸比分别比CK增加2.33%、20.70%、41.25%。
2.3.4 水分亏缺对番茄果实挥发性物质的影响
2.3.4.1 水分亏缺对番茄果实挥发性物质数量和含量的影响 如表5、表6所示,各处理的番茄果实挥发性物质中醇类物质含量最高,之后依次是醛类、酯类、酮类等物质。CK果实检测出57种挥发性物质,总含量为2 236.64 μg/kg,T1、T2处理随灌水量的减少挥发性物质种类和含量均呈现增加趋势。T2处理挥发性物质含量和种类均最高,分别为70种、3 706.62 μg/kg;T1处理挥发性物质种类和含量分别为60种、3 090.11 μg/kg;T3处理番茄挥发性物质的种类和含量比CK略低,分别仅为56种、2 223.75 μg/kg。各处理中醇类物质相对含量最高,占总含量的50%以上,CK、T1、T2、T3处理醇类物质分别占64.15%、56.25%、54.69%、53.48%;随着灌水量的减少,醇类物质所占比例也逐渐下降。而醛类物质所占比例CK、T1、T2、T3处理依次为26.33%、27.55%、29.16%、31.12%,酯类物质所占比例分别为6.56%、8.02%、8.65%、11.05%。醛类物质和酯类物质相对含量随水分亏缺程度的加重而逐渐升高。酮类物质和其他类物质总和相对含量均是随灌水量减少呈现先升高后降低的趋势,在T2处理时相对含量最高,分别为4.64%、2.85%。
2.3.4.2 水分亏缺对番茄挥发性物质成分及其含量的影响 由表7可知,不同水分亏缺条件下番茄果实特征香气成分及含量存在较大差异。4个处理番茄果实均含有特征性挥发性物质顺-3-己烯醇、苯乙醇、正己醛、反-2-己烯醛、1-戊烯-3-酮5种物质,另外还检测出6种特征性挥发物质出现在不同的处理之中。2-甲基丁醇、顺-3-己烯醛在CK中检测到,而β-紫罗兰酮仅在CK中未检测出;反-2-庚烯醛在T2处理中检测到,含量为25.95μg/kg。CK、T1处理检测出2-异丁基噻唑,CK、T1、T2处理检测出6-甲基-5-庚烯-2-酮。
4个处理番茄果实共检测出105种挥发性物质,仅分别在CK、T1、T2、T3處理中检测到的物质分别有9种、7种、13种、4种,这些物质分别占各处理总挥发性物质含量的1.05%、1.20%、1.78%、0.95%。在4个处理中都有检测出的挥发性物质有26种,这26种物质之和分别占CK、T1、T2、T3处理的94.63%、90.18%、90.22%、89.56%。
从表7中可以看出,4个处理共有的26种挥发性物质含量均随着灌水量的降低呈现先升高后降低的趋势,其中除愈创木酚、丁香酚、乙酸乙酯、苯丙酮、苯乙酮、1-戊烯-3-酮、反,反-2,4-己二烯醛7种物质含量在T1处理中最高外,其余19种物质的含量均在T2处理中最高。而乙醇、正己醇、苯甲醇、反-2-甲基-2-丁烯醛、反-4-氧合己醛、苯乙酮、丁香酚、愈创木酚在T3处理中含量最低,另外18种物质在CK中含量最低。
2.4 不同水分亏缺处理对番茄产量的影响
如表8所示,随着灌水量的降低,番茄的单株产量、产量均呈现下降趋势。CK的产量最高,显著高于T2、T3处理,但与T1处理无显著性差异。T3处理产量最低,较CK减产34.44%。单株结果数T1处理最多,为27.14个,显著多于T2和T3处理,但与CK无显著差异。CK、T1、T2、T3处理灌水量分别为0.357 m3/m2、0.298 m3/m2、0.234 m3/m2、0.170 m3/m2,水分利用效率分别为22.38 kg/m3、25.30 kg/m3、27.73 kg/m3、31.88 kg/m3。T1、T2、T3处理水分利用效率较CK分别提高11.30%、23.90%、42.49%。
3 讨论
果实硬度是影响番茄生产效益和品质的重要指标[16]。本试验中番茄果实硬度随着水分亏缺程度的加重逐渐增大,说明水分亏缺可以增加果实的硬度,这与钟韵等[17]对苹果果实的研究结果一致。
色泽是番茄果实的重要外观品质,色泽鲜艳的果实更能够吸引消费者[18],番茄中的番茄红素是一种重要的抗氧化物质[19]。含有较多的番茄红素不仅可以增强番茄的风味品质还可以改善番茄的色泽,使番茄拥有更好的外观品质。本试验中番茄果实中番茄红素含量随灌溉量的降低逐渐增加,番茄果实的色光值也逐渐增加。说明水分亏缺可以增加番茄的番茄红素含量,提高色光值。这与郭艳红等[20]的研究结果略有差异,这可能是番茄品种不同和栽培方式的差异所致。
糖代谢是影响风味形成和果实营养的重要决定因素,果实中所含糖的种类、数量及比率对果实的色泽、风味和其他营养成分均有重要的影响,是决定果实品质和商用价值的重要因素[21-22]。由于果糖的甜度是蔗糖的1.75倍,因此改变果实中蔗糖与果糖之间的比例就能够改变番茄果实的风味。本试验中,中度水分亏缺和轻度水分亏缺均提高了番茄果实中果糖和葡萄糖含量,但降低了蔗糖含量。原因可能是水分亏缺影响了糖代谢相关酶的活性和基因表达,从而改变了果糖、葡萄糖和蔗糖的含量和比例,但这有待进一步研究。有机酸的组分及其含量能在很大程度上影响果实的风味品质。依据有机酸分子碳架来源不同,可将果实分成三大类型:柠檬酸型、酒石酸型和苹果酸型[23]。本试验结果表明番茄果实中含量最高的有机酸组分是柠檬酸,与徐新娟[24]的测定结果一致,因此番茄属于柠檬酸型果实。6种酸组分中除乙酸外,其余5种有机酸含量均随灌水量的减少呈现先升高后降低的趋势。柠檬酸、琥珀酸在轻度水分亏缺时含量最高,而苹果酸、酒石酸、草酸在中度水分亏缺时含量最高。这与李晓彬等[25]在苹果上的研究结果一致。
适宜的糖、酸含量以及糖酸比是番茄果实风味品质形成的基础[26-30]。有研究结果表明,糖酸比在6.0以上时,番茄果实风味较佳[31-32]。本试验中,随灌水量的减少,番茄果实的糖酸比增加,且糖酸比均大于6.0。轻度水分亏缺和中度水分亏缺处理在糖、酸含量均增加的情况下,糖酸比较对照增加,而重度水分亏缺处理虽然糖酸比最高,但糖、酸含量均低于对照,说明适度的水分亏缺可有效提高番茄果实的风味。
香气是番茄风味的重要组成部分,由多种挥发性芳香物质组成,番茄风味很大程度上取决于果实挥发性物质的种类和含量[33]。前人从番茄果实中共检测出400多种挥发性物质[34],其中对番茄香气有重要贡献的有20~30种。芳香物质含量与阈值浓度比值的对数大于 0 的 16 种是番茄的主要特征香气物质[35-38]。本试验共检测出挥发性物质105种,其中番茄特征香气物质有11种,未检测到β-大马酮、2-甲基丁醛、1-硝基-2-乙基苯、2-苯乙醛和 3-甲基丁醛,这可能与品种及栽培条件有关。2-甲基丁醇赋予番茄果实焦糖味,顺-2-己烯醇赋予果实苹果香味[17],这2种特征性物质均只在对照中检测到,说明水分亏缺对这2种挥发性物质生成起到了抑制作用,导致这2种特征香气物质未在水分亏缺处理中检测到。而具有花香气味的β-紫罗兰酮在除了对照之外的3个水分亏缺处理中均能检测到,且含量高低顺序为T2>T1>T3,说明一定程度的水分亏缺处理对β-紫罗兰酮的产生有促进作用,但严重水分亏缺会降低β-紫罗兰酮含量。
番茄中醇类物质大多具有青草香味,醛类、酯类物质大多具有果香味,酮类物质则有较浓的花香味。本研究发现随水分亏缺程度的加重,番茄果实中醇类物质相对含量逐渐下降,而醛类物质和酯类物质相对含量逐渐上升,酮类物质与其他类物质总和相对含量则呈现先升高后降低趋势,在T2处理时相对含量达到最大。这说明水分亏缺处理可以使番茄果实呈现出更浓郁的花香味。这与唐晓伟等的[6]研究结果基本一致。究其原因可能是因为水分亏缺影响了挥发性物质前体的合成以及相关代谢酶的活性,从而改变了挥发性物质种类与含量。
4 结论
与正常灌溉相比,轻度水分亏缺(80%对照灌水量)和中度水分亏缺(60%对照灌水量)处理均不同程度提高了番茄果实的品质,而重度水分亏缺(40%对照灌水量)处理对番茄品质有负面影响。其中,中度水分亏缺处理在不影响番茄果形指数和色泽的基础上,显著增加了果实中可溶性蛋白质、可溶性糖、维生素C和番茄红素含量,提高了糖酸比,增加了特征挥发性物质的种类和含量,并较对照的水分利用效率提高了25.8%,是最优的水分亏缺处理。因此,中度水分亏缺即60%正常灌水量可作为日光温室基质栽培高品质番茄的灌溉制度。
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(责任编辑:张震林)