番茄秸稈堆肥提高番茄果實風味的適宜添加比例研究

胡曉婷，陳丹艷，牛博宇，牟孫濤，辛 鑫，武永軍，楊振超*

（1 西北農林科技大學園藝學院/農業部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西楊凌 712100；2 西北農林科技大學生命科學學院，陜西楊凌 712100）

番茄 (Lycopersicon esculentum Mill.) 作為主栽蔬菜之一，因其獨特的風味與豐富的營養深受全世界人民的喜愛[1]。近年來，番茄需求量逐年增高，為追求高產長期大量施用化學肥料，從而導致果實品質降低，風味變差[2]。決定番茄果實風味品質優劣的一個重要因素是揮發性物質。目前我國對番茄風味品質的研究主要集中在可溶性糖、可滴定酸等方面[3-5]，針對影響其風味品質的揮發性物質仍處于起步研究階段。揮發性物質包括醛類、酮類、醇類、酯類及一些含硫化合物等，雖然這些成分總含量僅約2 mg/kg，但作為一個整體，卻形成了番茄果實的芳香特征[6]。相較于化學肥料，施用有機肥料可使番茄作物營養更加均衡，從而有效改善番茄的品質[7]。李吉進等[8]在施用有機肥的番茄果實中共檢出以正己烷與戊醛等物質為主的50余種揮發性物質，并對施用化學肥料與有機肥料對番茄果實揮發性物質的影響進行了分析討論。番茄秸稈廢棄物經過堆肥處理后作為有機肥料使用，不僅可以使廢棄物資源再利用，還可以提高番茄產量，改善品質[9]，但利用番茄秸稈廢棄物堆肥產物作為有機肥料對番茄揮發性成分的研究還鮮見報道。

本試驗擬研究番茄秸稈廢棄物堆肥產物對番茄果實風味的影響，利用固相微萃取-氣相色譜-質譜(solid phase microextraction-gas chromatography-mass spectrometry，SPME-GC-MS) 聯用技術，檢測番茄果實揮發性物質的含量，通過對成分和含量的對比重點分析探討番茄秸稈循環利用對改善番茄果實品質的可行性和效果，為循環再利用技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用番茄秸稈取自陜西省楊凌區大寨鄉，待完全腐熟后作為供試材料，經檢測其化學性質為速效氮含量1.98 g/kg、速效磷含量4.09 g/kg、速效鉀含量20.9 g/kg、有機碳含量183 g/kg、pH值8.55、電導率值 (EC) 13.98 mS/cm。供試土壤取自西北農林科技大學北校區園藝場，基本化學性質為有機質含量10.7 g/kg、堿解氮含量50.3 mg/kg、速效磷含量70.3 mg/kg、速效鉀含量88.7 mg/kg、pH值7.70、EC值0.58 mS/cm。

供試番茄品種為‘金棚1號’。

1.2 儀器與設備

SL3001N型萬分之一電子天平、恒溫磁力攪拌器 (美國Troemner公司)；勻漿機 (荷蘭飛利浦公司)；SPME 手動進樣手柄、PDMS (75 μm) 萃取頭(美國Supelco公司)；HP-INNOWAX彈性石英毛細管柱 (長度 60 m × 內徑 0.25 mm，膜厚 0.25 μm) ；ISQ氣相色譜—質聯用儀 (美國Thermo Fisher Scientific 公司)。

1.3 試驗設計

試驗于2017年5—8月在陜西楊凌西北農林科技大學北校區園藝場塑料大棚內進行。試驗共設7個處理，分別以0%、5%、7.5%、10%、12.5%、15%的質量配比將番茄秸稈堆肥添加于菜園土中，記為 T1、T2、T3、T4、T5、T6，對照 (CK) 采用常規基質栽培模式進行栽培，CK處理于開花期開始使用1/2劑量霍格蘭營養液配方進行澆灌，每3天澆灌一次，每株每次澆灌700 mL，其余處理栽培過程中只澆灌清水。

使用72孔穴盤進行常規育苗，番茄幼苗長至四葉一心時，選取長勢一致的健壯幼苗定植于塑料盆(直徑25 cm) 內，每盆一株，每個處理10株，隨機排列，株行距為30 cm × 50 cm，兩穗果打頂。采用常規田間管理方式進行病蟲害防治及植株調整。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 樣品采集 果實成熟期選取生長正常長勢一致的植株，選擇品相均勻、成熟度一致的第一穗果實進行揮發性物質的測定分析。

1.4.2 番茄產量的測定 每盆番茄植株果實單獨記產，使用電子天平稱重，并計算平均單株產量 (g/株)。1.4.3 果實揮發性成分測定 參考岳釘伊等[10]、張琳等[11]的測定方法并略作修改。

1) SPME取樣 每個處理分別選取成熟期一致大小均勻的5個番茄果實，打成勻漿，稱取 (5 ±0.1) g果肉勻漿于30 mL的螺絲口樣品瓶中，并加入 3 g 無水氯化鈉 (分析純) 與 10 μL 0.04 μL/mL 的 3-壬酮 (色譜純) 標樣，立即用錫箔紙封口并旋緊瓶蓋，置于50℃恒溫磁力攪拌器 (攪拌速率為300 r/min) 上，平衡10 min，然后頂空固相微萃取40 min，立即插入色譜氣化室，解吸3 min，進行GC-MS分析。每個處理3次重復，取其平均值。

2) 儀器參數 氣相條件：色譜柱為HPINNOWAX彈性石英毛細管柱 (60 m × 0.25 mm，0.25 μm) ；進樣口溫度為250℃，采用不分流進樣方式；載氣為高純He (99.999%) ，流速為1.0 mL/min；升溫程序為40℃保持2.5 min，5℃/min升至160℃，然后以10℃/min升溫至230℃，維持5 min。

質譜條件：電離方式，電子電離 (electro nionzation，EI) ；電子能量，70 eV；檢測器電壓，1604 V；離子源溫度240℃；傳輸線溫度240℃；全掃描，掃描質量范圍35～450 amu。

3) 番茄果實揮發性物質成分定性及定量分析各組分經Xcalibur軟件處理，利用NIST2013譜庫檢索和WILEY (320k compounds Vision 6.0) 檢索定性分析作出鑒定，僅報道正反匹配度均大于800 (最大值1000) 的鑒定結果[12-13]。

采用內標法定量分析揮發性物質[14]，計算公式[15]如下：

揮發性物質含量(μg/g)=各組分峰面積/內標峰面積×內標量(μg)/樣品量(g)

1.5 數據統計分析

使用Excel2007軟件進行數據整理計算；采用SPSS19軟件Duncan新復極差法進行數據的方差分析 (P ＜ 0.05)；使用Origin2016軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 番茄秸稈堆肥對番茄果實揮發性物質成分及含量的影響

供試番茄果實共檢測出73種揮發性物質，由9種酮類、25種醛類、19種醇類、5種酯類、4種烴類和11種其他類物質組成。除CK外其余各試驗處理揮發性物質總含量整體隨著番茄秸稈堆肥添加量的增高而增高，其中T4、T5與T6番茄果實揮發性物質總含量均高于CK，分別較CK增高20.4%、81.0%與137%，各處理揮發性物質總含量由高到低依次為T6 ＞ T5 ＞ CK ＞ T4 ＞ T2 ＞ T3 ＞ T1 (表 1)。

各處理番茄果實檢測到的揮發性物質種類主要包括酮類、醛類、醇類、酯類與烴類，其中醛類、醇類物質種類較多，酮類、酯類次之，烴類物質種類較少，此外還包括部分其他未分類物質。堆肥不同配比對番茄果實揮發性物質種類影響不同，其整體隨堆肥添加量的增高而增高，但揮發性物質總含量較高的T6處理種類卻最低，CK番茄果實共檢測出38種揮發性物質，T2、T6處理檢測出的揮發性物質種類數低于CK，分別為34、33種，T1、T3、T4、T5處理檢測出的種類均高于CK，分別為39、44、52、56 種 (表 2)。

此外，7個處理檢測出17種共有揮發性物質成分，分別為2種酮類物質、9種醛類物質、3種醇類物質和3種其他類物質。共有揮發性物質總含量占揮發性物質總含量的比例較大，構成番茄的主體風味。2種酮類共有揮發性物質為6-甲基-5-庚烯-2-酮和香葉基丙酮，均為T6處理含量最高，T1含量最低。共有醛類物質含量差異較大，己醛、反-2-庚烯醛、苯甲醛與 (E)-檸檬醛含量以CK最高，反-2-戊烯醛以T2最高，正辛醛與反-2-辛烯醛以T5含量最高，壬醛與反-2-己烯醛以T6處理含量最高。3種醇類物質中，順-2-戊烯-1-醇與順-3-己烯-1-醇以T6含量最高，6-甲基-5-庚烯-2-醇以T1處理的含量最高。未分類物質中，2-異丁基噻唑的含量占比較大，以T6處理含量最高，T1處理含量最低。在CK、T2與T3、T4和T5這5個處理中分別含有12、1、3和4種特有揮發性物質，其含量較低，其中，CK特有揮發性物質種類較多，說明添加番茄秸稈堆肥產物的處理番茄果實揮發性物質成分發生了變化，且不同應用配比處理之間也存在一定差異，其差異主要體現在醛類與醇類物質上 (表1)。

表 1 不同堆肥配比處理番茄果實揮發性物質成分及含量(μg/kg)Table 1 Volatile compounds and contents in tomato fruits under different mixture proportion of straw compost

注（Note）：“—” 表示未檢出 Indicates undetected. T1、T2、T3、T4、T5、T6 表示菜園土中添加番茄秸稈堆肥的比例分別為 0%、5%、7.5%、10%、12.5%、15% T1, T2, T3, T4, T5, T6 indicate that the mixture proportion of tomato straw compost with garden soil is 0%, 5%,10%, 12.5%, 15%, respectively.

表 2 不同堆肥配比處理番茄果實各類揮發性物質的數量Table 2 The quantities of volatile compounds in tomato fruits under different mixture proportion of straw compost

2.2 番茄秸稈堆肥產物對番茄果實各類揮發性物質含量的影響

7個處理檢測到的揮發性物質中醛類與醇類物質含量占比較大，其次為酮類物質，酯類與烴類物質占比較小，此外，還檢測到一些其他未分類物質。

T5與T6處理的番茄果實酮類物質含量較CK高16.3%與25.9%，其余各處理含量低于CK。酮類物質種類較少但含量較高主要是由于6-甲基-5-庚烯-2-酮的含量在酮類物質中占比較大，其次為香葉基丙酮。

醛類物質以T6處理番茄果實含量最高，其中，己醛與反-2-己烯醛在醛類物質中占比較大，反-2-庚烯醛與反-2-辛烯醛次之。常規栽培對照組CK的番茄果實醛類物質含量占比最大，約占其總含量的一半。

而添加堆肥產物的處理中醇類物質含量較高，且各試驗處理含量均顯著高于CK，并隨堆肥產物添加量的增高而增高。醇類物質含量占比較大的物質主要是C6醇 (正己醇、順-3-己烯-1-醇與反-2-己烯-1-醇)。T6處理番茄果實的正己醇含量高達2743μg/kg，在所有揮發性物質含量中最高。

CK未檢出酯類物質。其余各處理中，除T3酯類物質含量低于T1外，除CK外其余各處理含量均高T1，且整體呈現出隨堆肥產物添加量增高而增高的趨勢，其中占主要成分的物質為水楊酸甲酯。

烴類物質含量整體較低，對番茄果實風味貢獻較小。此外，在未分類物質中2-異丁基噻唑含量較高 (表1、表2、表3)。

表 3 不同堆肥配比處理番茄果實各類揮發性物質的總含量(μg/kg)Table 3 Total contents of volatile substances in tomato fruits under different mixture proportion of straw compost

2.3 番茄秸稈堆肥產物對番茄果實特征效應成分及含量的影響

7個處理番茄果實共檢測出11種特征效應化合物，分別為β-紫羅酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、3-甲基丁醇、反-2-己烯醛、順-3-己烯醛、2-異丁基噻唑、順-3-己烯-1-醇、己醛、反-2-庚烯醛、水楊酸甲酯和1-戊烯-3-酮，其中，CK、T2、T4與T5檢測出9種，T1、T3與T6檢測出8種。不同番茄秸稈堆肥產物添加量不同，對番茄果實特征香氣含量影響不同，除CK外，特征效應化合物總含量整體隨堆肥產物添加量的增高而增高，其中，T1處理番茄果實特征效應化合物總含量最低，T5與T6處理總含量分別較CK增高24.8%與72.2%，由高到低具體表現為 T6 ＞ T5 ＞ CK ＞ T4 ＞ T2 ＞ T3 ＞ T1 (表 4)。

11種特征效應化合物中6-甲基-5-庚烯-2-酮、己醛、反-2-己烯醛、反-2-庚烯醛、順-3-己烯-1-醇與2-異丁基噻唑為7個處理的共有成分，T5處理番茄果實的反-2-庚烯醛含量最高，CK處理果實的己醛含量最高，其余共有特征效應化合物均以T6處理含量最高。

表 4 不同堆肥配比處理番茄果實特征效應化合物及其含量(mg/kg)Table 4 The characteristics of aroma components and content in tomato fruit under different mixture proportion of straw compost

番茄果實特征效應化合物具有青香、果香、花香及特殊氣味，本試驗檢測到的11種特征效應化合物中己醛、順-3-己烯醛、反-2-庚烯醛、順-3-己烯-1-醇、水楊酸甲酯具有青香，其中己醛與番茄果實的甜味有關，CK的己醛含量最高，T3處理最低，具體表現為 CK ＞ T5 ＞ T1 ＞ T2 ＞ T6 ＞ T4 ＞ T3；6-甲基-5-庚烯-2-酮、反-2-己烯醛、3-甲基丁醇與2-異丁基噻唑具有果香，且2-異丁基噻唑具有獨特的番茄香味，以T6處理番茄果實含量最高，6-甲基-5-庚烯-2-酮與番茄風味、整體滿意度、腐敗味等相關，7個處理含量由高到低依次為 T6 ＞ T5 ＞ CK ＞ T2 ＞ T3 ＞T4 ＞ T1；β-紫羅酮具有紫羅蘭花香，與果實的酸味有關，所有處理中只有CK、T4、T5和T6中檢測到了 β-紫羅酮，其含量具體表現為 T6 ＞ T5 ＞ CK ＞ T4。

2.4 番茄秸稈堆肥產物對番茄果實產量的影響

堆肥產物添加量不同對番茄平均單株產量的影響不同。CK的番茄平均單株產量最高，除T1處理與T2處理番茄單株產量顯著低于CK外，其余各處理均與CK無顯著性差異。除CK外，其余各處理單株產量整體隨堆肥產物添加量的增高呈現先增高后降低的趨勢，以T5處理單株產量最高且與CK差異最小。各試驗處理番茄單株產量由高到低依次為CK ＞T5 ＞ T6 ＞ T3 ＞ T4 ＞ T2 ＞ T1 (圖 1)。

圖 1 不同堆肥配比對番茄產量的影響Fig. 1 Effect of compost addition percentage on yield of tomato

3 討論

目前，已報道的番茄果實揮發性物質種類已經超過400種[16]，主要包括醛類、酮類、醇類、酯類與烴類等，本試驗7個處理共檢測出73種揮發性物質，施用堆肥產物處理與常規栽培處理揮發性物質種類差異較大，施用堆肥產物處理果實的醇類與酯類含量較高，而常規栽培處理的果實醛類物質含量較高。主要是由于施用堆肥產物的處理中果實正己醇、順-3-己烯-1-醇、反-2-己烯-1-醇與水楊酸甲酯含量占比較大，而常規栽培處理的果實己醛與反-2-己烯醛占比較大。常規栽培對照組番茄果實共檢測出12種特有揮發性物質，但施用堆肥產物的處理中特有物質較少，說明施用番茄秸稈堆肥的處理番茄果實揮發性物質成分發生了變化。

番茄果實香味主要取決于特征效應化合物的種類與含量。已被鑒定的番茄果實揮發性物質中含量大于1 nL/L的有29種[17]，其中對數閾值單位大于0的有16種，Baldwin等[18]認為這16種成分即為番茄的主要特征效應化合物。本試驗檢測出其中11種番茄特征效應化合物，堆肥產物與菜園土混配占比為10%與15%的處理番茄果實特征效應化合物總含量均高于常規栽培，說明適宜的番茄秸稈堆肥產物應用配比可以有效提高番茄的風味品質。本試驗中未檢測到3-甲基丁醛、苯乙醛、β-大馬酮、2-苯乙醇和1-硝基-2-乙基苯，原因可能是由品種和栽培條件所致[19]。此外，研究顯示，本試驗檢測到的牻牛兒醛、檸檬醛、香葉基丙酮和愈創木酚等對數閾值單位為負的芳香物質也會作為背景信息影響番茄香氣[20]，且香葉基丙酮的前體物質為類胡蘿卜素[21]，對番茄果實胡蘿卜素也有間接的影響，以混配占比為15%的處理含量最高，10%的處理次之。

β-紫羅酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、順-3-己烯醛、己醛、順-3-己烯-1-醇、1-戊烯-3-酮、3-甲基丁醇、反-2-己烯醛、2-異丁基噻唑與水楊酸甲酯這10種番茄的特征效應化合物以適當用量混合，就可獲得新鮮番茄的芳香味道[22]，這些物質主要具有果香、花香與青香，且其中大部分物質含量以T6處理最高，T5處理次之，6-甲基-5-庚烯-2-酮、3-甲基丁醇與反-2-己烯醛使番茄具有果香，其中，6-甲基-5-庚烯-2-酮的前體物質為番茄紅素[23]，混配占比為10%與15%的處理中6-甲基-5-庚烯-2-酮含量較高，也可間接說明這兩個處理番茄紅素含量較高，這與李恕艷等的研究結果一致[24]；β-紫羅酮使番茄具有花香，其含量也以混配占比為15%的處理最高，10%的處理次之；己醛與順-3-己烯醇使番茄具有青香；水楊酸甲酯具有似冬青味的香氣；2-異丁基噻唑是天然存在于番茄中主導人們喜好的較為重要的因子[25]，具有獨特的番茄香味，以混配占比為15%的處理含量最高。這10種物質相互作用形成番茄獨特的香味，但各種物質間的具體的互作方式還需要進一步研究與探討。

農業廢棄物經過高溫堆腐可以作為有機肥施用，其可提高微生物的活性，從而有效改善土壤的理化性狀，加速土壤有機氮的礦化，礦化過程的增加會促進難溶性養分釋放，增加速效養分的含量[26-29]，從而促進作物生長。本試驗中，隨堆肥添加量的增高，番茄產量呈現出先增高后降低的趨勢，以混配占比為12.5%的處理產量最高，說明番茄秸稈堆肥與菜園土以適宜比例混配對番茄產量有積極影響，但超過一定量則會產生負效應，這與耿鳳展[9]的研究結果一致。番茄秸稈作為農業廢棄物再利用，并且其作為有機肥以適宜的比例施用后番茄產量與常規栽培無顯著性差異。

4 結論

在本試驗條件下，當番茄秸稈堆肥產物與菜園土混配占比為10%與15%時，番茄果實揮發性物質總含量與特征效應化合物含量均顯著高于常規栽培番茄果實，其中，混配占比為15%的處理番茄果實風味品質較優，但混配占比為12.5%的處理番茄產量最高。綜合考慮果實產量和風味，采用12.5%的混配占比栽培番茄效果最佳。說明番茄秸稈經過堆腐處理后可以作為有機肥料用于番茄的生產，不僅可以使廢棄物資源再利用，還可以有效改善番茄的風味品質。