基于電子鼻與電子舌技術評價氯吡脲對甜瓜品質的影響

王 琦,蘇 杭,王懷松,付秋實,李春梅,邵 華,金茂俊,王珊珊,佘永新,鄭鷺飛,王 靜,金 芬,*

(1.農業部農產品質量安全重點實驗室,中國農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所,北京 100081;2.中國農業科學院蔬菜花卉研究所,北京 100081)

甜瓜是我國主要的園藝作物,含有豐富的糖、蛋白質、維生素和微量元素,深受消費者的喜愛。我國甜瓜的種植范圍廣,種植面積達353000公頃/年,產量約970萬噸/年,在全球水果產量排名中位列第7[1-3]。目前,在我國的甜瓜設施栽培中,常采用氯吡脲(CPPU)等植物生長調節劑來提高座果率[4]。

氯吡脲(CPPU)是一種苯脲類植物生長調節劑,具有很高的細胞分裂素活性[5-6],廣泛應用于黃瓜、西瓜和甜瓜等蔬菜作物的座果或增產[7-8]。近年來,隨著氯吡脲在農業生產上應用的日益增多,關于其使用的安全性及對農作物品質的可能影響一直成為社會關注及研究的熱點[9-10]。目前,雖然氯吡脲在果實生長發育過程中對植物內源性激素調控的機理尚不明確[5],但其對農產品的風味影響已經有了一些報道。吳乾興等[8]研究表明,經氯吡脲處理后,甜瓜的蔗糖、葡萄糖和果糖含量明顯增高,而維生素C含量降低。付秋實等[11]研究發現,氯吡脲噴花可顯著提高厚皮甜瓜中可溶性糖和可溶性固形物含量,而目前關于氯吡脲對甜瓜揮發性風味等品質的影響評價還未見報道。

電子鼻和電子舌技術是根據仿生學原理,由傳感器陣列和自動化模式識別系統所組成的一類檢測技術[12-13]。與傳統的光譜、色譜等技術相比,電子鼻和電子舌技術能夠快速識別樣品中風味物質的整體信息,具有快速、無損、無需樣品預處理等優點[14-16]。王偉靜等[17]運用電子鼻和和電子舌技術研究了不同加熱溫度燉煮下不同部位牛肉的風味物質差別。T Dymerski等[18]應用電子鼻技術實現了對多種類型蜂蜜的分析判別。

本研究通過開展薄皮甜瓜的田間試驗,設計不同濃度氯吡脲處理小區,基于電子鼻和電子舌技術,結合生長發育指標,研究評價了不同濃度氯吡脲對薄皮甜瓜風味的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

薄皮甜瓜459(CucumismeloL.) 由中國農業科學院蔬菜花卉研究所甜瓜課題組提供;0.1%氯吡脲可溶液劑 四川省蘭月科技有限公司。

游標卡尺 日本三豐公司;PL303型中國萬分之一天平 瑞士梅特勒公司;FT-327硬度計 意大利Fruit TestTM公司;PAL-1型手持式糖量計 深圳三恩馳公司;PEN3型電子鼻 德國Airsense公司;Astree型電子舌 法國阿爾法公司日本愛拓公司;NR2000型色差分析儀 深圳三恩馳公司;NR2000型色差分析儀 可判斷樣品與標準板之間的顏色差異,其中L代表明暗度(黑白),a代表紅綠色,b代表黃藍色;PEN3型便攜式電子鼻系統 由W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S等10個金屬氧化物傳感器組成的陣列傳感器組成,各傳感器具體響應特征如表1所示;Astree型電子舌系統 由7個化學選擇性區域效應的味覺傳感器和1個Ag/AgCl參比電極組成,其7個化學傳感器中SRS(酸味)、SWS(甜味)、BRS(苦味)、STS(咸味)及UMS(鮮味)可感知5種味道,另外兩種SPS、GPS可感知復合味道。

表1 PEN 2型號電子鼻的傳感器及其響應恃征Table 1 The PEN 2 sensors and their response characteristic

1.2 實驗方法

1.2.1 田間試驗 試驗于2016年6月至10月在中國農業科學院試驗基地的溫室進行,基地地處東經108°10′,北緯34°21′。根據中國農藥信息網登記,氯吡脲的推薦劑量為10～20 mg/kg,本研究在推薦劑量下選取10、15和20 mg/kg為處理組,另設置低于推薦劑量(5、8 mg/kg)為低濃度處理組,溫室平均分為對照組(人工授粉)及5個不同濃度施藥組,共計6個小區。雌花開花當天,氯吡脲處理組采用氯吡脲溶液對甜瓜瓜胎進行浸蘸處理3～5 s,使氯吡脲溶液均勻分布在瓜胎上;對照組采用雄花對雌花進行授粉處理,并對每個甜瓜進行編號。

1.2.2 果實生長發育指標的測定 在氯吡脲處理后1、3、5、7、9、11、13、15、20、25、30、32、34和36 d時,在各小區隨機采集10個甜瓜果實,采用游標卡尺測量果實橫徑和縱徑。在果實成熟期(36 d),在各處理小區分別采集大小、成熟度均勻一致的果實6個,采用天平稱量單瓜質量,采用手持式糖量計測定果肉可溶性固形物含量,采用硬度計測定甜瓜硬度,采用游標卡尺測量果實橫徑和縱徑,并計算果形指數(果形指數=縱徑/橫徑),采用色差儀測定甜瓜的顏色。

1.2.3 電子鼻與電子舌分析 電子鼻測定選取未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)的甜瓜樣品為實驗材料,準確稱取均質化的甜瓜樣品1 g于20 mL的頂空瓶中,靜置20 min后,用電子鼻對其進行測量,每個樣品平行測定3次;樣品準備時間3 s,樣品測定時間30 s,樣品測定間隔1 s,測量計數1 s,清洗時間180 s,自動調零時間10 s;內部流量:400 mL/min;進樣流量:7.747 mL/min。

電子舌測定選取未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)的甜瓜樣品為實驗材料,準確稱取均質化的甜瓜樣品50 g,置于50 mL超純水中充分渦旋振蕩后,以1000 r/min速度在4 ℃下離心10 min,取上清液過濾備用。取80 mL濾液倒入電子舌專用燒杯中進行檢測。試驗采用清洗溶液和甜瓜汁樣本交替檢測序列進行檢測,清洗溶液為超純水。采樣時間180 s,采樣速度為1次/s,每個樣品平行測定3次,每個平行重復采集8次。

1.3 數據處理

試驗結果采用SPSS 24軟件對電子鼻及電子舌數據進行顯著性差異分析、主成分分析(PCA)、判別式分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度氯吡脲對甜瓜果實生長發育指標的影響

由表2可得,在甜瓜果實生長的第一階段(處理后1～9 d),處理組與對照組甜瓜果實橫徑增長速度分別為2.72～3.53 mm·d-1和2.43 mm·d-1,處理組甜瓜生長速度顯著大于對照組(p<0.05);在第二階段(處理后9～30 d),處理組與對照組甜瓜生長速度差異減小;而到了第三階段(處理后30～36 d),處理組與對照組的甜瓜橫徑增長速度均減緩,分別為0.95～2.10 mm·d-1和0.58 mm·d-1,成熟期(36 d)對照組與處理組之間橫徑無顯著差異,與已有報道中甜瓜果實橫徑變化規律基本一致[7-19]。

表2 不同濃度氯吡脲對不同采摘期甜瓜橫徑的影響(mm)Table 2 Effects of different concentration CPPU on cross diameter of melon in different periods(mm)

如表3所示,在甜瓜果實生長的第一階段(處理后1～9 d),處理組與對照組的縱徑增長速度分別為4.52～5.92 mm·d-1和4.25 mm·d-1,處理組生長速度顯著大于對照組(p<0.05);在甜瓜果實生長的第二階段(處理后9～30 d),與橫徑增長情況類似,對照組縱徑生長速度加快,與處理組間差異減小;除8 mg/kg處理組外,其他各處理組縱徑均大于對照組,且在處理30 d后與對照組呈顯著性差異(p<0.05)。而在甜瓜果實生長第三階段(處理后30～36 d),與第二階段情況類似,除8 mg/kg處理組外,其他各處理組縱徑均大于對照組。在成熟期(36 d)甜瓜中,除8 mg/kg處理組外,其它處理組與對照組甜瓜相比縱徑提高,具體機制還需進一步分析。

表3 不同濃度氯吡脲對不同采摘期甜瓜縱徑的影響(mm)Table 3 Effects of different concentration CPPU on longitudinal diameter of melon in different periods(mm)

表4給出了成熟期(36 d)不同處理組甜瓜果實的理化指標。在質量方面,處理組質量均大于對照組,其中5 mg/kg和10 mg/kg處理組的甜瓜果實質量顯著大于對照組(p<0.05);在可溶性固形物方面,各處理組與對照組之間無顯著性差異,這與李省印等[9]的研究結果相一致。而在果實硬度方面,不同濃度處理組均大于對照組,其中8 mg/kg處理組的甜瓜的果實硬度最大;在果形指數方面,所有甜瓜樣品均為長圓形,果形指數均大于1,處理組與對照組無顯著性差異;在果實色度方面,不同處理組甜瓜的色度差異主要來自亮度(L)和黃色(b),處理組甜瓜果實的亮度和黃色色度下降。

表4 不同濃度氯吡脲對成熟期(36 d)甜瓜外觀品質的影響Table 4 Effects of different concentration CPPU on ripe fruit quality of mature(36 d)melon

2.2 不同濃度氯吡脲對甜瓜風味影響的電子鼻分析

目前,已發現的甜瓜中揮發性風味物質約有三百多種[20],主要包括酯類、醛類、醇類、酮類、酸類、含氧雜環、酚類、含氮化合物及含硫化合物等,每一類物質代表的風味特征以及閾值均不同[21-22],因此對揮發性成分按類分析,提供整體信息,在一定程度上能夠反映風味的特征。

2.2.1 電子鼻對不同成熟期甜瓜響應分析 本實驗采用的電子鼻設備由針對不同類型風味敏感的10種金屬氧化物半導體傳感元件組成,表5給出了10種傳感器陣列對未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)甜瓜樣品中風味敏感物的響應值及其與氯吡脲濃度之間的相關性分析。由表5可知,在未成熟期(20 d)甜瓜樣品中各處理組與對照組相比,W1C傳感器響應隨著施藥濃度的增高而增高,且較低濃度處理組(5、8及10 mg/kg)與對照組響應無顯著性差異,高濃度處理組(15、20 mg/kg)與對照組響應差異顯著(p<0.05);在W3C、W6S、W5C、W3S四種傳感器上,對照組與處理組響應無顯著性差異;而在W5S、W1S、W1W、W2S、W2W五種傳感器上,響應值隨濃度的變化呈先增大后減小的趨勢,且都在5～10 mg/kg處理濃度上呈增長趨勢,在10～20 mg/kg處理濃度上呈下降趨勢;同時W1C傳感器的響應值與施藥濃度呈極顯著正相關(p<0.01),綜合可得施用不同濃度的氯吡脲會對未成熟的甜瓜樣品中揮發性物質造成一定影響,且可能與施藥濃度存在一定相關性。

表5 電子鼻對不同成熟期甜瓜響應分析及其與氯吡脲濃度之間的相關性Table 5 E-nose analysis response for different mature melon and thecorrelation coefficients(r)between the responses and the concentrations of CPPU

在成熟期(36 d)甜瓜樣品中,與未成熟期(20 d)甜瓜樣品的響應相比,W5S、W1W、W2S、W2W傳感器響應值在成熟期(36 d)甜瓜樣品中明顯升高,特別是W1W傳感器的響應值增高20～35倍,說明隨著甜瓜的成熟度的增加,各類揮發性成分貢獻物的含量明顯增高;同時與對照組相比,在20 mg/kg處理濃度上W1W、W2S、W3S傳感器響應值顯著降低,說明使用較高濃度的氯吡脲可能會導致使該類傳感器敏感的揮發性貢獻物減少,如醇類、硫化成分和烷烴(甲烷)等。綜上所述,W1W傳感器的響應值在未成熟期(20 d)和成熟期(36 d)甜瓜樣品中均為最高,W5S和W2W傳感器的響應次之,這表明甜瓜樣品中含有對W1W、W5S、W2W傳感器響應敏感的揮發性貢獻物,如硫化物、萜烯類化合物及烷烴等[23],同時氯吡脲的使用會對未成熟甜瓜的揮發性物質造成一定影響,且與施藥濃度具有一定相關性。

2.2.2 主成分分析(PCA) 分別對不同濃度氯吡脲處理下未成熟期(20 d)甜瓜樣品和成熟期(36 d)甜瓜樣品的電子鼻數據進行主成分分析，累積方差貢獻率均可達到100%，由此說明兩個主成分已含甜瓜樣本大部分信息。由圖1可知,不論是處于未成熟期的甜瓜樣品(圖1A)還是處于成熟期的甜瓜(圖1B)樣品,氯吡脲處理組與對照組間均存在顯著差異(p<0.05),可以完全分開。其中在未成熟期,不同劑量處理組組間距離大,風味可較好的區分(圖1A)。而在成熟期,處理組間存在部分重疊,分布范圍縮小,說明各處理組風味差異變小(圖1B);這表明隨著甜瓜的生長成熟,氯吡脲對甜瓜揮發性成分的影響作用可能隨之減小。

圖1 不同成熟期甜瓜電子鼻主成分(PCA)分析圖Fig.1 PCA analysis of E-nose data for different mature melons

2.2.3 線性判別式分析(LDA) 由圖2(A)可以看出,在生長期(20 d)的甜瓜樣品中,使用氯吡脲處理后的甜瓜可以與對照組完全區分開,且低劑量處理組(5和8 mg/kg)的甜瓜與高劑量處理組的甜瓜能完全分開,存在顯著差異(p<0.05);但高劑量處理組(15和20 mg/kg)甜瓜樣品之間距離較近,無顯著性差異。與之相似,在成熟甜瓜樣品(圖2B)中,除8 mg/kg處理組外,不同劑量組的甜瓜樣品間并無顯著差異,不同濃度處理組的甜瓜樣品中揮發性成分的差異的變化可能與甜瓜的成熟度有關,這一結論與劉園[24]的研究結果相類似。由此可得,隨著甜瓜成熟度的變化,甜瓜的揮發性物質組成也可能隨之改變。

圖2 甜瓜電子鼻判別分析圖Fig.2 Discriminant analysis of E-nose data of melon

2.3 不同濃度氯吡脲對甜瓜風味影響的電子舌分析

2.3.1 電子舌對不同成熟期甜瓜響應分析 表6為電子舌對未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)甜瓜樣品的響應及其與氯吡脲濃度之間的相關性分析。電子舌的7根傳感器中SRS、SWS、BRS、STS、UMS分別為對酸、甜、苦、咸、鮮味敏感地專一性傳感器,能夠給出不同樣品五種滋味相對強度大小[25],SPS、GPS可感知復合味道。由表6可知,未成熟期(20 d)甜瓜樣品中,在GPS、UMS(鮮味)傳感器上各處理組響應顯著高于對照組(p<0.05),且在5～15 mg/kg施藥濃度范圍內隨施藥濃度增大而響應增高;在SRS(酸味)傳感器上,處理組響應較對照組顯著降低(p<0.05),其中10 mg/kg處理組響應最低,且該傳感器上響應值與氯吡脲濃度之間呈顯著負相關(p<0.05);其他傳感器隨濃度變化無明顯規律,說明氯吡脲的使用會對未成熟期(20 d)甜瓜樣品造成一定影響,使其鮮味貢獻物增多,酸味貢獻物減少。而在成熟期(36 d)甜瓜樣品中,處理組甜瓜的SRS(酸味)響應顯著高于對照組,且該傳感器上響應值與氯吡脲濃度之間呈極顯著正相關(p<0.01),與未成熟期(20 d)甜瓜樣品情況相反,這表明氯吡脲的使用可能會導致甜瓜中酸味貢獻物含量的變化,且與濃度存在一定相關性,但具體機制還有待進一步研究。

表6 電子舌對不同成熟期甜瓜響應分析及其與氯吡脲濃度之間的相關性Table 6 E-tongue analysis response for different mature melon and the correlation coefficients(r)between the responses and the concentrations of CPPU

綜上所述,無論是未成熟期(20 d)還是成熟期(36 d)的甜瓜樣品,電子舌的STS、SPS和UMS三種傳感器對不同處理組的甜瓜汁具有較好的響應;其中STS(咸味)傳感器的響應值達3000以上,UMS(鮮味)傳感器的響應值為2000左右,這表明甜瓜汁中可能含有很高濃度的離子性有機物和無機物等咸味貢獻物[26]及較高濃度的氨基酸[27]、核苷酸和有機酸等鮮味貢獻物,同時氯吡脲的施用會對不同時期甜瓜樣品中的酸味呈味物質造成一定影響,且與施藥濃度存在一定相關性。

2.3.2 主成分分析(PCA) 圖3為不同濃度氯吡脲處理的未成熟甜瓜(20 d)和成熟甜瓜(36 d)樣品的電子舌PCA分析圖。不論在未成熟期甜瓜(圖3A)還是成熟期甜瓜(圖3B)中,主成分即可反應樣品大部分信息，但在主成分1方向上處理組與對照組的甜瓜樣品能完全分開,說明處理組與對照組口感上有明顯差異,不同處理組集中于一、四象限,且隨濃度變化沿縱坐標呈現一定規律變化。在未成熟甜瓜樣品(圖3A)中,對照組及5 mg/kg處理組主要分布在第一象限,而其他濃度處理組則集中分布在第四象限,且隨著處理組氯吡脲濃度的增加,樣品分布區域離對照組的距離越來越遠,呈現規律性分布,這表明甜瓜風味物質的組成與氯吡脲的濃度也存在一定相關性。在成熟甜瓜(圖3B)中,對照組樣品分布區域增大,重合部分分開,不同樣品組口感差異變大,其中8 mg/kg處理組距對照組距離明顯增大,說隨著甜瓜的生長不同濃度處理組的甜瓜樣品中產生了不同的差異物質,不同濃度的氯吡脲會對成熟期甜瓜的口感產生一定的影響。

圖3 甜瓜電子舌主成分PCA分析圖Fig.3 E-tongue PCA analysis of melon

3 結論

本研究參考氯吡脲的推薦劑量(10～20 mg/kg),設計開展5個不同濃度氯吡脲(5～20 mg/kg)處理薄皮甜瓜田間試驗,研究發現在甜瓜生長初期推薦劑量下的氯吡脲濃度均會使甜瓜的橫、縱徑增長速率變快,甜瓜果實的亮度和黃色色度降低,成熟后橫縱徑差異并不明顯。同時由電子鼻和電子舌數據分析可得,在生長期和成熟期的甜瓜樣品中,氯吡脲處理組與空白組樣品中風味物質的組成存在顯著差異(p<0.05),且與氯吡脲施用濃度存在一定相關性,這表明氯吡脲的使用會對甜瓜的風味品質產生一定影響,而具體的特征性差異物質及代謝途徑還有待進一步深入研究。