光質(zhì)對(duì)番茄果實(shí)品質(zhì)及揮發(fā)性物質(zhì)的影響

楊俊偉，梁婷婷，嚴(yán)露露，張珂嘉，習(xí)林杰，鄒志榮,*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北設(shè)施園藝工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

番茄（Solanum lycopersicum L.）含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和礦物質(zhì)，如VC、磷、鉀和鈉等，同時(shí)還含有大量的番茄紅素、檸檬酸和蘋果酸等，具有抗癌[1-2]和促進(jìn)消化的功能[3]，可以滿足人體的需要以及人們對(duì)食品保健功能的追求[4-5]，因而深受大眾的喜愛。隨著日光溫室、植物工廠等設(shè)施和栽培技術(shù)的發(fā)展，番茄的周年供應(yīng)得以實(shí)現(xiàn)，但這也導(dǎo)致了番茄風(fēng)味的季節(jié)性變化[6-9]，使得番茄品質(zhì)得不到保證。國(guó)內(nèi)外研究表明，番茄果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)及風(fēng)味受土壤環(huán)境[10]、水肥條件[11]、種植密度[12]等多種因素調(diào)控，也有研究表明光質(zhì)也會(huì)影響番茄果實(shí)的品質(zhì)與風(fēng)味[13-14]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）在設(shè)施栽培中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在植物工廠中[15]，人們可以根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)制出不同光質(zhì)。由于葉綠素的吸收光譜與紅藍(lán)光的光譜基本一致，因此通過對(duì)紅藍(lán)光比例的調(diào)控可以影響番茄幼苗的生長(zhǎng)[16]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)不同光質(zhì)對(duì)番茄果實(shí)影響有所報(bào)道，但是鮮有對(duì)不同比例紅藍(lán)光對(duì)番茄果實(shí)影響的研究。因此，本實(shí)驗(yàn)旨在通過給番茄提供不同比例的紅藍(lán)光，研究其對(duì)番茄果實(shí)主要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及揮發(fā)性物質(zhì)的影響，探討利用合適比例的紅藍(lán)光提高番茄的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及風(fēng)味，為設(shè)施生產(chǎn)中提高番茄的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及風(fēng)味提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本實(shí)驗(yàn)選用當(dāng)?shù)刂髟云贩N‘金棚朝冠’，由陜西楊陵金棚種業(yè)有限公司提供。

1.2 儀器與設(shè)備

UV-1800紫外-可見分光光度計(jì) 日本島津公司；手動(dòng)固相微萃取進(jìn)樣器、75 μm Carboxen/PDMS手動(dòng)萃取頭 美國(guó)Supelco公司；ISQ氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀美國(guó)Thermo Fisher公司；恒溫磁力攪拌器 美國(guó)Troemner公司；植物生長(zhǎng)箱 陜西旭田光電農(nóng)業(yè)科技有限公司；KG316T時(shí)控開關(guān) 浙江正泰電器股份有限公司；LED 西安麟字半導(dǎo)體照明有限公司；PAL-BX/ACID F5糖酸一體機(jī) 日本Atago公司。

1.3 方法

1.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分組

番茄種子經(jīng)溫湯浸種后，催芽。待種子發(fā)芽后，設(shè)置光周期12 h/12 h，溫度25 ℃/20 ℃，相對(duì)濕度65%～75%，光照強(qiáng)度為100 μmol/（m2·s），待幼苗長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株并移栽至12號(hào)植物生長(zhǎng)箱內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)缽（5 cm×5 cm）中。以V（草炭）∶V（珍珠巖）∶V（蛭石）=3∶1∶1為栽培基質(zhì)，采取潮汐式營(yíng)養(yǎng)液灌溉模式，營(yíng)養(yǎng)液采取0.5 倍山崎番茄營(yíng)養(yǎng)液配方。利用KG316T時(shí)控開關(guān)精準(zhǔn)控制光周期（晝∶夜=14 h∶10 h），通過控制LED燈打開數(shù)量和LED燈板到番茄冠層高度使到達(dá)番茄葉冠層的光照強(qiáng)度達(dá)到（200±10）μmol/（m2·s）、溫度25 ℃/20 ℃（晝/夜），相對(duì)濕度65%～75%。實(shí)驗(yàn)采用不同比例的紅（400～500 nm）、藍(lán)（600～700 nm）單色LED燈珠數(shù)量的組合，組成6 個(gè)不同光質(zhì)處理，分別為白光（W）、紅光（R）、紅光∶藍(lán)光=1∶2（1R2B）、紅光∶藍(lán)光=1∶1（1R1B）、紅光∶藍(lán)光=2∶1（2R1B）、藍(lán)光（B），不同處理的波譜分布如圖1所示，在距離燈正下方20 cm處測(cè)定不同光質(zhì)的波譜。

待番茄果實(shí)成熟后，每個(gè)處理選取6 株長(zhǎng)勢(shì)一致的植株，每株在第3穗果選取大小一致的果實(shí)進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。

圖1 不同處理組的光譜分布Fig. 1 Spectral distribution of different treatments

1.3.2 番茄單果質(zhì)量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的測(cè)定

單果質(zhì)量：待果實(shí)成熟后，選長(zhǎng)勢(shì)一致的植株6 株，每株在第3穗果選取成熟度一致的果實(shí)，總共6 個(gè)，測(cè)定其質(zhì)量，求其平均值。

可溶性固形物含量、可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和糖酸比用PAL-BX/ACID F5糖酸一體機(jī)測(cè)定；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定；可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用蒽酮比色法測(cè)定；抗壞血酸含量用鉬藍(lán)比色法測(cè)定；根據(jù)胡曉波等[17]的方法測(cè)定番茄紅素的含量。

1.3.3 固相微萃取取樣和工作條件

固相微萃取取樣和工作條件的設(shè)定參考常培培[18]和岳釘伊[19]等的方法，并稍作修改。

分別在不同處理?xiàng)l件下取成熟度一致的6 個(gè)番茄果實(shí)，切取其1/8，混合，用液氮研磨儀打成粉末狀，-80 ℃保存?zhèn)溆?。待測(cè)量時(shí)快速準(zhǔn)確稱取5 g樣品于40 mL頂空瓶中，并加入10 μL 0.04 μL/mL的內(nèi)標(biāo)（3-壬酮），同時(shí)加入NaCl 1.00 g和轉(zhuǎn)子1 個(gè)，封口。將頂空瓶置于50 ℃恒溫磁力攪拌器上，磁力攪拌速率為200 r/min，平衡10 min，然后頂空固相微萃取吸附40 min，上機(jī)，將萃取頭立即插入色譜氣化室，解吸2.5 min，拔萃取頭，進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析。每個(gè)處理進(jìn)行3 個(gè)生物學(xué)重復(fù)，求其平均值。

色譜條件：載氣為高純氦氣（99.999%），流速：1.0 mL/min；色譜柱：HP-INNOWax毛細(xì)管色譜柱，柱長(zhǎng)60 m，內(nèi)徑0.25 mm，液膜厚度0.25 μm；進(jìn)樣口溫度：220 ℃；進(jìn)樣方式：不分流進(jìn)樣；柱溫：采用程序升溫，起始溫度40 ℃，保持3 min；先以5 ℃/min升溫至150 ℃，再以10 ℃/min升至220 ℃，保持10 min。

質(zhì)譜條件：電子電離（電子轟擊電離源）；電子轟擊能量：70 eV；離子源溫度：220 ℃；傳輸線溫度：220 ℃；開始采集時(shí)間：2.0 min；定量方法：內(nèi)標(biāo)法；質(zhì)量范圍：m/z 35～400。

1.3.4 揮發(fā)性物質(zhì)定量分析

果實(shí)中萃取出的揮發(fā)性物質(zhì)經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜分析，各色譜峰經(jīng)計(jì)算機(jī)檢索NIST 2014標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)譜圖庫(kù)，輔以人工分析對(duì)應(yīng)的化合物進(jìn)行定性鑒定，僅報(bào)道正反匹配度大于800的揮發(fā)性物質(zhì)。利用標(biāo)準(zhǔn)品對(duì)果實(shí)中萃取出來的揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行定量分析。各揮發(fā)性成分含量按下式計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 20軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，利用Duncan’s法進(jìn)行多重比較方差分析，P＜0.05表示差異顯著，采用Excel軟件作圖。利用R語(yǔ)言對(duì)不同處理下的番茄的芳香類物質(zhì)進(jìn)行聚類分析并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光質(zhì)處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄單果質(zhì)量的影響

圖2 不同比例紅藍(lán)光處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄單果質(zhì)量的影響Fig. 2 Effects of different ratios of red to blue light on individual fruit mass in plant factories

單果質(zhì)量是衡量外界調(diào)控因子處理對(duì)植株生長(zhǎng)影響的重要指標(biāo)之一。由圖2可知，2R1B處理顯著提高了番茄的單果質(zhì)量（P＜0.05），為143.58 g，比W處理下單果質(zhì)量提高56.03%；B處理下單果質(zhì)量最小，僅為81.70 g；R、1R1B和1R2B處理之間無顯著性差異。可見不同光質(zhì)處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄單果質(zhì)量具有顯著的影響。

2.2 不同光質(zhì)處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄可溶性固形物含量、可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)和糖酸比的影響

不同光質(zhì)對(duì)植物工廠內(nèi)番茄風(fēng)味品質(zhì)影響顯著。由圖3A可得，可溶性固形物含量在R處理下最高，達(dá)到5.90 °Brix，顯著高于其他處理；2R1B和1R1B次之，1R2B處理下可溶性固形物含量最低，僅為4.77 °Brix，顯著低于其他處理，但和B處理無顯著性差異。同時(shí)，番茄可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)在W處理下最高，為0.65%，但與R和2R1B之間無顯著性差異；1R2B處理下可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為0.57%，顯著低于其他處理（圖3B）。R處理下番茄果實(shí)的糖酸比最高，與2R1B和1R1B之間無顯著性差異，但顯著高于其他處理；B處理下糖酸比最低，為7.48（圖3C）。

圖3 不同比例紅藍(lán)光處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄風(fēng)味品質(zhì)的影響Fig. 3 Effects of different ratios of red to blue light on tomato flavor quality in plant factories

2.3 不同光質(zhì)處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄可溶性蛋白含量、可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、抗壞血酸和番茄紅素含量的影響

圖4 不同比例紅藍(lán)光處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響Fig. 4 Effects of different ratios of red to blue light on tomato nutritional quality in plant factories

不同光質(zhì)處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)影響顯著。由圖4A可知，2R1B處理下番茄果實(shí)的可溶性蛋白含量最高，達(dá)到1.48 mg/g，和1R1B處理無顯著性差異，但顯著高于其他處理；R處理下可溶性蛋白含量最低，僅為1.15 mg/g，和1R2B和B處理無顯著性差異。由圖4B可知，2R1B、1R1B和W處理下番茄果實(shí)的可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，R處理次之，1R2B和B處理下可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低；同時(shí)，2R1B處理下番茄果實(shí)的抗壞血酸含量最高，達(dá)到73.62 mg/100 g，顯著高于其他處理，B處理?xiàng)l件下抗壞血酸含量最低，為44.42 mg/100 g，與R和1R1B無顯著性差異（圖4C）。2R1B和1R1B處理下番茄果實(shí)的番茄紅素含量顯著高于其他處理，分別為31.56 mg/100 g和31.89 mg/100 g；W處理下最低，為8.16 mg/100 g，顯著低于其他處理（圖4D）。

2.4 不同光質(zhì)處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄揮發(fā)性物質(zhì)的影響

如表1所示，6 個(gè)不同光質(zhì)處理下的番茄果實(shí)中共檢測(cè)出53 種揮發(fā)性物質(zhì)，其中R處理下檢測(cè)出的種類數(shù)最少，為34 種，2R1B、1R1B、1R2B和B較多，為36 種，W處理下檢測(cè)出35 種。R處理下醛類、酮類、醇類、烴類、酯類和其他揮發(fā)性物質(zhì)分別為20、6、2、0、1 種和5 種；2R1B處理下醛類、酮類、醇類、烴類、酯類和其他揮發(fā)性物質(zhì)分別為18、5、4、0、2 種和7 種；1R1B處理下醛類、酮類、醇類、烴類、酯類和其他揮發(fā)性物質(zhì)分別為18、7、3、1、1 種和6 種；1R2B處理下醛類、酮類、醇類、烴類、酯類和其他揮發(fā)性物質(zhì)分別為17、6、3、1、2 種和7 種；B處理下醛類、酮類、醇類、烴類、酯類和其他揮發(fā)性物質(zhì)分別為15、9、3、2、2 種和5 種；W處理下醛類、酮類、醇類、烴類、酯類和其他揮發(fā)性物質(zhì)分別為17、5、5、0、1 種和7 種。

表1 不同比例紅藍(lán)光處理對(duì)植物工廠內(nèi)番茄揮發(fā)性物質(zhì)成分分析Table 1 Comparison of volatiles components in tomato fruit under light quality treatments in plant factories

續(xù)表1

表2 不同光質(zhì)處理下番茄各類揮發(fā)性物質(zhì)含量和相對(duì)含量Table 2 Contents and relative contents of volatile substances in tomato fruit under different light quality treatments

由表2可知，不同光質(zhì)處理對(duì)番茄果實(shí)各類揮發(fā)性物質(zhì)含量和相對(duì)含量影響較大。R處理下番茄果實(shí)的揮發(fā)性物質(zhì)最多，其含量達(dá)到2 805.82 μg/kg，大約是W處理下的3.4 倍，R和2R1B處理之間無顯著差異，但顯著高于其他處理。在1R1B和1R2B處理下，其揮發(fā)性物質(zhì)含量接近，分別為1 113.09 μg/kg和1 106.85 μg/kg。R處理下酮類含量顯著高于其他處理，其相對(duì)含量達(dá)到73.76%，其次為醛類，為19.70%，未檢測(cè)到烴類；2R1B處理下其他物質(zhì)相對(duì)含量為48.54%，其次為醛類，未檢測(cè)到烴類；1R1B和1R2B處理下醛類相對(duì)含量最高，分別達(dá)到53.93%和53.06%，其次為酮類，烴類最低，分別為0.33%和0.43%；B處理下醛類的相對(duì)含量最高，為73.29%，其次為酮類，酯類最低，為0.54%；W處理下醛類相對(duì)含量最高，為47.34%，其次為酮類，未檢測(cè)到烴類。

2.5 不同光質(zhì)處理下番茄揮發(fā)性物質(zhì)與主要品質(zhì)性狀的聚類分析

圖5 不同光質(zhì)處理下番茄揮發(fā)性物質(zhì)與主要品質(zhì)性狀的聚類分析Fig. 5 Cluster analysis of volatile compounds and major quality traits in tomato fruit under different light quality treatments

使用R語(yǔ)言對(duì)不同處理下番茄主要的品質(zhì)性狀和在6 個(gè)處理下均能檢測(cè)到的25 種揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行聚類分析，如圖5所示。不同處理聚類分析可得，1R1B和1R2B距離最為接近，同時(shí)和W處理構(gòu)成一個(gè)聚類亞群，2R1B、R和B分別單獨(dú)是一個(gè)亞群。對(duì)番茄主要品質(zhì)性狀和揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行聚類分析可得，番茄紅素與水楊酸甲酯在關(guān)系上最為接近，并且和1-戊烯-3-酮、β-紫羅蘭酮、香葉基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮構(gòu)成一個(gè)聚類亞群；丁子香酚、2-正戊基呋喃、2-甲氧基苯酚、2-異丁基噻唑、3-硝基-4-羥基苯胂酸和己醛關(guān)系較近，并與抗壞血酸和可滴定酸構(gòu)成一個(gè)聚類亞群；可溶性蛋白和辛醛比較接近、可溶性固形物和2-己炔-1-醇比較接近，并和可溶性糖聚成一個(gè)亞群；檸檬醛、2,4-癸二烯醛、2,6,6-三甲基-1-環(huán)己烯-1-羧醛、(Z)-2-壬烯醛、壬醛和(Z)-2-癸醛距離較近，并且與3-甲基-丁醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛和芳樟醇等物質(zhì)構(gòu)成一個(gè)聚類亞群。

3 討 論

不同比例紅藍(lán)光對(duì)果實(shí)品質(zhì)發(fā)育具有重要作用，番茄中的糖酸比可以直接影響口感[20-21]，而可溶性固形物含量和可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值決定著糖酸比的大小。有學(xué)者認(rèn)為，紅光和3R1B可以顯著提高番茄果實(shí)可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)和糖酸比，降低可滴定酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，藍(lán)光可以顯著提高抗壞血酸含量[22]。這與本實(shí)驗(yàn)部分結(jié)果不一致，本實(shí)驗(yàn)中R處理可以顯著提高番茄果實(shí)可溶性固形物含量，同時(shí)，R處理下番茄糖酸比最高，但是和2R1B和1R1B之間無顯著性差異，2R1B和1R1B處理可以提高可溶性蛋白含量和可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)，R處理可以提高抗壞血酸含量，這可能是番茄品種不同所導(dǎo)致[23]。番茄紅素是一種功能性天然色素，研究表明紅光可以提高番茄紅素的含量[24]，同時(shí)也有研究發(fā)現(xiàn)番茄紅素在藍(lán)光處理下含量明顯升高[25]，而王麗偉[26]研究發(fā)現(xiàn)在番茄轉(zhuǎn)色期和成熟期，3R1B都可以顯著提高番茄紅素含量，這與本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2R1B和1R1B可以顯著提高番茄紅素含量基本一致，表明合適比例的紅藍(lán)光可以提高番茄果實(shí)中的番茄紅素含量，推測(cè)是番茄品種對(duì)不同光質(zhì)的響應(yīng)差異造成的，這可能是由紅藍(lán)光的互補(bǔ)加性效應(yīng)所導(dǎo)致[26]。

番茄揮發(fā)性物質(zhì)是決定番茄風(fēng)味的一個(gè)重要因素，其是底物經(jīng)一系列酶促反應(yīng)形成不同化合物的過程。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)番茄揮發(fā)性物質(zhì)進(jìn)行了大量研究，在不同番茄品種中總共檢測(cè)到有400多種揮發(fā)性物質(zhì)[27]，主要包括醛類、酮類、醇類、烴類和酯類等；其中，主要影響番茄果實(shí)風(fēng)味的只有不到30 種揮發(fā)性物質(zhì)[27-29]，而且有學(xué)者經(jīng)研究得出乙酮、乙醛、乙醇、β-紫羅蘭酮和(Z)-3-己醇與酸味相關(guān)，(Z)-3-己烯醛和澀味關(guān)系較密切，(Z)-3-己烯醛、1-戊烯-3-酮與苦味相關(guān)[30]，香葉基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮與番茄的甜味相關(guān)[20]，在R處理下，與醛類相比，雖然酮類物質(zhì)的種類較少，但總含量較高，推測(cè)可能是香葉基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮共同影響番茄甜味，這與Baldwin等[20]研究結(jié)果類似。Lewinsohn等[31]發(fā)現(xiàn)色素對(duì)番茄某些芳香物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生影響，如番茄紅素可以產(chǎn)生6-甲基-5庚烯-2-酮、法呢酮、假紫羅（蘭）酮、牻牛兒丙酮，而β-胡蘿卜素與β-紫羅蘭酮、β-環(huán)檸檬醛相關(guān)，2-正戊基呋喃具有蔬菜香韻，2-異丁基噻唑具有清新綠葉香，己醛具有青草味，(E)-2-辛烯醛具青葉香氣，香葉基丙酮具果香、泥土和清香味[32-33]。本研究對(duì)在6 個(gè)不同光質(zhì)處理下處理番茄果實(shí)中均能檢測(cè)到的25 種揮發(fā)性物質(zhì)和主要的營(yíng)養(yǎng)和風(fēng)味品質(zhì)聚類分析，發(fā)現(xiàn)番茄紅素與水楊酸甲酯聚類在一起，丁子香酚、2-正戊基呋喃、2-甲氧基苯酚、2-異丁基噻唑、3-硝基-4-羥基苯胂酸和己醛關(guān)系較近，并與抗壞血酸和有機(jī)酸構(gòu)成一個(gè)聚類亞群，可溶性固形物和可溶性糖與2-己炔-1-醇比較接近，結(jié)果表明部分物質(zhì)與其前體物質(zhì)或者前人研究揮發(fā)性物質(zhì)與對(duì)應(yīng)風(fēng)味沒有聚類到一起，有些雖然聚在一個(gè)亞群，但是距離較遠(yuǎn)，如6-甲基-5-庚烯-2-酮與其前體物質(zhì)番茄紅素，這可能是揮發(fā)性物質(zhì)對(duì)光質(zhì)的響應(yīng)差異影響了與揮發(fā)性物質(zhì)形成有關(guān)酶的活性和底物的形成，從而導(dǎo)致?lián)]發(fā)性物質(zhì)的構(gòu)成與含量的不同[34]；另一方面可能是分析的物質(zhì)類型較為復(fù)雜，使得相應(yīng)的揮發(fā)性物質(zhì)沒有集中在對(duì)應(yīng)的代謝途徑中。后續(xù)研究要考慮對(duì)揮發(fā)性物質(zhì)與特定的代謝途徑進(jìn)行相關(guān)性分析。

綜合來看，R和2R1B處理可以極大提高揮發(fā)性物質(zhì)的含量，而R、2R1B和1R1B處理能夠提高番茄糖酸比，2R1B和1R1B處理可以提高可溶性蛋白和番茄紅素含量，揮發(fā)性物質(zhì)和非揮發(fā)性物質(zhì)共同影響著番茄的風(fēng)味品質(zhì)。