番茄莖稈浸提液對番茄生長和風味品質的影響

李 琦 梅延豪 劉 齊 徐曉東 趙 芳 管彤彤 武永軍 楊振超*

(1.西北農林科技大學 園藝學院，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)

隨著蔬菜產業和設施農業的發展，蔬菜作物莖稈產量越來越大，未經適當處理一方面會造成環境污染，另一方面浪費有機質資源。據統計，我國蔬菜莖桿的年產量約2.7億t[1]，番茄占蔬菜總產量的7%左右[2]，每年會產生大量的番茄莖稈。以往處理莖稈的方式是將各類莖稈粉碎后直接還田，這種方式不但收效甚微且具有傳播病原菌的風險[3]。而堆肥是處理莖稈最有效的一種利用途徑，有研究表明番茄莖稈中含有豐富的礦質元素和有機物質[4]，且堆肥過程中微生物在可控條件下分解消耗莖稈中的有機物質，能夠產生穩定、成熟、除臭、不含病原體和植物種子的有機質和腐殖酸[5-6]。經過堆肥處理的番茄莖稈可實現變廢為寶，既保護了生態環境，又將有機質資源合理應用。

近年來，番茄莖稈堆肥化研究已取得了一些進展。牛博宇[7]以番茄莖稈有氧和厭氧2種堆肥產物栽培番茄，與普通基質栽培相比果實產量分別提高了9.80%和10.87%，且均提升了果實營養品質；辛鑫等[8]用番茄莖稈有氧堆肥產物浸提液澆灌作物，與山崎營養液澆灌相比雖然產量稍低，但果實中的可溶性固形物、維生素C和可溶性蛋白含量分別提高了30.89%、29.93%和39.84%，達到了改善果實營養品質的效果；胡曉婷等[9]研究表明，當番茄莖桿堆肥產物與土壤混配質量占比為12.5%時，與普通基質栽培相比果實產量無顯著性差異，且果實中揮發性物質和特征揮發性物質總含量分別提升了 81.00% 和24.80%，這顯著改善了番茄果實風味品質。其他作物莖稈中也有過類似研究，王園園等[10]研究發現當谷子莖稈的浸提液濃度低于一定范圍時，可以促進谷子種子的萌發以及幼苗的生長；楊曉珍等[11]研究發現，功能性堆肥及堆肥浸提液有利于黃瓜的生長，增強黃瓜葉片的光合作用，從而促進果實中營養物質的積累，可以顯著提高黃瓜產量。以上研究都是在基質和土壤栽培中進行，利用番茄莖稈堆肥產物浸提液進行有機營養液水培的研究還少見報道。基質或土壤栽培中，植物根系環境難以控制，會產生連作障礙[12]；而水培可以精準調控植物根系環境，避免連作障礙，并且水培不受地域或地形限制，有利于實現自動化和智能化的管理模式[13]。浸提液作為有機營養液還可以減少化肥使用，生產出健康的綠色農產品。因此，本研究擬利用番茄莖稈堆肥產物浸提液水培番茄，通過分析植株的生長、果實的營養及風味品質，探究番茄莖稈堆肥產物浸提液作為水培有機營養液的使用效果，旨在為各類蔬菜莖稈資源化技術提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗番茄品種為‘華美103’。番茄莖稈全部收集于楊凌五泉鎮，經粉碎干燥后通過有氧和厭氧發酵，得到2種完全腐熟的堆肥產物。將兩種腐熟的堆肥產物與清水按照質量比1∶5比例混合，每隔24 h攪拌1次，持續浸泡72 h，過濾后即為有氧發酵產物浸提液和厭氧發酵產物浸提液。使用Floesys型流動分析儀(Systea，意大利)、M410 blue notes型火焰光度計(Sherwood，英國)和S-433D氨基酸分析儀(日立，日本)測得3種營養液大量元素質量濃度(表1)、微量元素質量濃度(表2)和氨基酸質量濃度(表3)。

1.2 試驗設計

試驗于2019年4—8月在人工氣候室內進行。采用水培方式，共設EX1(整個生長期用有氧浸提液)和EX2(整個生長期用厭氧浸提液)2個處理，以山崎營養液作為對照(CK)，重復4次。EX1、EX2和CK處理的標準營養液EC值均調控到2.0 ms/cm[14]，苗期使用1/2個標準濃度，生長期使用1個標準濃度。挑選長勢優良和大小一致的番茄苗定值在水培槽中，并供氧20 min/h。每周對營養液進行1次換新，用磷酸調節各處理營養液的pH到6.0左右。人工氣候室環境為：光期16 h，光強270±2 μmol/(m2·s)，溫度30 ℃，濕度60%；暗期8 h，溫度20 ℃，濕度60%[15]。植株管理按照常規方法進行。

1.3 測定項目與測定方法

1.3.1番茄生長指標及產量測定

用卷尺、游標卡尺和LI-3000C便攜式葉面積儀，測量株高、莖粗和番茄生長點向下第4片葉的葉面積；將植株鮮樣置于烘箱，先在110 ℃下殺青1 h，然后在60 ℃恒溫下烘干至恒重，稱量其重量即為該植株生物量；用LI-6800便攜式光合儀測量番茄生長點向下第4片葉的光合；每個處理測量4株，并單獨記錄前3穗果產量，根據株行距(30 cm×40 cm)推算畝產。

表1 各營養液大量元素種類和質量濃度Table 1 Types and mass concentrations of macronutrients in each nutrient solution mg/L

表2 各營養液微量元素種類和質量濃度Table 2 Types and mass concentrations of microelements in each nutrient solution mg/L

表3 各營養液氨基酸種類和質量濃度Table 3 Types and mass concentrations of amino acids in various nutrient solutions mg/L

1.3.2番茄果實營養品質指標測定

可溶性固形物及總酸含量采用日本 Atago公司的PAL-1型手持折光顯數儀測量，根據可溶性固形物與總酸含量的比值算出糖酸比；維生素C、可溶性蛋白和硝態氮含量分別用鉬藍比色法、考馬斯亮藍G20染色法和水楊酸-硫酸法測定[16]。所有的測量在每個處理中重復3次。

1.3.3揮發性物質測定

利用固相微萃取-氣相色譜-質譜聯用(SPME-GC-MS)技術[9,17]，檢測番茄果實中揮發性物質的種類及其含量，并用R語言將果實中各類揮發性物質的含量進行聚類分析生成熱圖。

樣品采集：果實成熟時，經過篩選和檢驗，每個處理選擇6個顏色和大小相同的果實。將果實洗凈，破碎成果肉勻漿，直接裝在密封的250 mL樣品瓶中，保存在-80 ℃超低溫冰箱中，測定果實揮發性物質。所有的測量在每個處理中重復3次。

SPEM 取樣：在40 ml樣品瓶中放入5 g果實樣品，隨即放入3 g無水氯化鈉 (分析純)，再加入10 μL 0.04 μL/mL的3-壬酮(色譜純標樣)。快速用錫箔紙封住瓶口擰緊瓶蓋，在45 ℃、速率300 r /min的恒溫磁力攪拌器上平衡10 min。然后用頂空固相微萃取吸附40 min，迅速將吸附探頭插進色譜氣化室，加熱揮發3 min，進行GC-MS分析。

氣相條件：進樣口溫度為250 ℃，進樣方式用不分流進樣，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150 ℃，10 ℃/min升至230 ℃，維持8 min。色譜柱為HP-INNOWAX彈性石英毛細管柱 (60 m×0.25 mm，0.25 μm)

質譜條件：采用ISQ氣相色譜-質譜聯用儀。電離方式為電子電離，電離電壓70 eV；檢測器電壓1 604 V；離子源溫度240 ℃；傳輸線溫度240 ℃；質量掃描范圍 35～450 amu。

揮發性物質的計算：各處理的樣品經過氣相進行分離后，各組分會產生不同的色譜峰，經過NISEX1013和WILEY質譜檢索，定量分析作出鑒定。選取正反匹配度>800(最大值1 000)的鑒定結果[18]。計算公式[19]如下：

式中：A1表示樣品峰面積；A2表示內標峰面積；W1表示內標量，μg；W2表示樣品量，g；C表示揮發性物質含量，μg/g。

1.4 數據分析

用 Excel 2010進行數據整理和圖表制作，用SPSS 23.0中的Duncan新復極差法進行數據的方差分析(P≤0.05)。

2 結果與分析

2.1 各處理對番茄植株形態、光合、生物量及產量的影響

各處理在株高方面無顯著性差異，但CK處理在莖粗、葉面積、生物量及產量方面均與EX1和EX2處理呈現出顯著性差異。其中CK處理莖粗達到11.02 mm，較EX1和EX2處理分別高出19.39%和15.03%；CK處理葉面積達到27.42 cm2，較EX1和EX2處理分別高出72.24%和65.67%；CK處理生物量達到了62.91 g，較EX1和EX2處理分別高出93.03%和61.11%；CK處理三穗果產量達到了2 922.49 kg/667 m2，較EX1和EX2處理分別高出48.08%和55.65%(表4)。CK處理凈光合速率顯著高于其他處理，其凈光合速率達到17.761 2 μmol/(m2·s)，較EX1和EX2處理分別高出131.55%和132.46%；各處理之間蒸騰速率無顯著性差異，可能是各處理所處環境的參數相同所致；CK處理胞間CO2濃度顯著低于其他處理，可能是CK處理凈光合速率較高，消耗較多的胞間CO2，EX1和EX2處理之間凈光合速率基本相同，所以胞間CO2濃度無顯著性差異；氣孔導度方面CK處理顯著大于其他處理，而EX1和EX2處理之間無顯著性差異(表5)。綜合來看,CK處理植株長勢與光合特性表現較好，可以提高生物積累量和產量。

2.2 各處理對番茄果實營養品質的影響

由表6可知，EX2處理番茄果實中可溶性固形物含量顯著高于CK和EX1處理，分別高出 37.59% 和8.83%；各處理間總酸含量無顯著性差異；EX1和EX2處理糖酸比均顯著高于CK處理，其中EX2處理比值最高，較CK處理高出43.91%；EX2處理可溶性蛋白的含量較CK和EX1處理分別提高了66.87%和47.59%；各處理間硝態氮含量無顯著性差異；EX2處理維生素C含量顯著高于CK和EX1處理，EX2處理較CK和EX1處理分別提高了35.16%和13.90%。綜合來看，浸提液水培番茄特別是厭氧浸提液可以提升番茄營養果實品質，但是相對于CK處理果實硝態氮含量有所升高，這與部分氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸和異亮氨酸等會降低果實硝酸鹽含量的結果不同[20]，可能是浸提液中的部分氨基酸在水中分解成了無機氮被植株吸收，導致了硝酸鹽含量的上升，具體原因還有待探究。但各處理下番茄果實硝酸鹽含量均未超過432 mg/kg的國家一級蔬菜硝酸鹽限量標準[21]。

表4 各處理下番茄的形態、生物量和產量Table 4 Tomato morphology, biomass and yield under different treatments

表5 各處理下番茄的光合特性Table 5 Photosynthetic characteristics of tomato under different treatments

表6 各處理下番茄的果實營養品質Table 6 Nutritional quality of tomato fruit under different treatments

2.3 各處理對番茄果實揮發性物質的影響

通過表7可知，CK、EX1和EX2處理檢測出揮發性物質共41種，包括醛類物質21種、醇類物質7種、酮類物質6種、酯類物質2種、烴類物質1種及4種未分類物質。其中只在EX1和EX2處理中檢測出酯類和烴類物質。通過表7和表8可知，醛類物質中EX2處理總含量最高，較CK處理增加38.67%，正己醛、反-2-己烯醛、(E，E)-2,4-癸二烯醛和反-2-辛烯醛在醛類物質中占比較大；酮類物質中，以EX2處理含量最高，較CK處理增加4.43%，其中以6-甲基-5-庚烯-2-酮與香葉基丙酮兩種揮發性物質占比較大；醇類物質中EX1和EX2處理分別較CK處理高出33.63%和52.58%，占比較大的是正己醇、順-3-己烯醇、6-甲基-5-庚烯-2-醇；CK處理番茄果實中未檢測出酯類物質，EX1和EX2處理酯類物質含量相當；烴類物質整體占比較低，對果實風味影響較小；EX1和EX2處理未分類物質的總含量均高于CK處理。EX1、EX2與CK處理果實中揮發性物質總含量依次為1 403.35、1 931.10和1 368.40 μg/kg，其中EX2處理總含量較CK處理提高了41.12%，EX1處理總含量略高于CK處理。CK處理檢測出27種揮發性物質，EX1和EX2處理分別檢測出39和34種，均多于CK處理。表明浸提液水培番茄，對果實揮發性物質含量和種類有積極影響，利于提升果實香氣品質。

表7 各處理下番茄果實揮發性物質成分分析Table 7 Analysis of volatile components in tomato fruits under different treatments

表7(續)

表8 各處理下番茄果實各類揮發性物質總含量和相對含量Table 8 Total volatile matter content and relative content of tomato fruits under different treatments

2.4 各處理下番茄揮發性物質含量的聚類分析

利用R語言將3個處理中同一個揮發性物質含量進行標準化處理，定義在(-2,2)之間。圖中小方格表示每個揮發性物質，其顏色表示該揮發性物質在3個處理中含量的差異程度。如圖1所示，各揮發性物質之間，(E)-檸檬醛和檸檬醛關系最為接近，并且和法尼基丙酮、6-甲基-5-庚烯-2-醇構成一個聚類亞群；反，反-2,4-庚二烯醛和反-2-己烯醛關系較為接近、香葉基丙酮和β-紫羅蘭酮關系較為接近，并和6-甲基-5-庚烯-2-酮構成了一個聚類亞群；愈創木酚和4-[2,2,6-三甲基-7-氧雜二環[4.1.0]庚-1-基]-3-丁烯-2-酮比較接近，并且和4-甲基-3-環己烯-1-甲醛、反-2-辛烯-1-醇、辛酸甲酯、2-乙基-4-戊烯醛和3-甲基-2-丁烯醛聚成一個亞群；β-環檸檬醛和1-戊醇關系較為接近，并和十二醛、2-正戊基呋喃構成一個聚類亞群；反-2-庚烯醛和順-3-己烯醇較接近，并和正辛醛、反-2-戊烯醛、2-十一烯醛聚成一個亞群。通過對各揮發性物質含量聚類分析可知，除香葉基丙酮、β-紫羅蘭酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮構成了一個聚類亞群以外，其余亞群均為不同類別物質構成，說明浸提液處理相比對照處理對番茄揮發性物質含量產生了影響。

越偏紅色表示差異越大，越偏藍色表示差異越小。The more red the color, the greater the difference, the more blue the color is, the smaller the difference.圖1 各處理下番茄揮發性物質含量的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of volatile compounds in tomato under different treatments

2.5 各處理對番茄果實中特征揮發性物質成分及其含量的影響

特征揮發性物質構成了番茄果實的主體風味。由表9可知，3個處理下共檢測出17種特征揮發性物質，EX1和EX2處理均為17種，CK處理為12種；3個處理共有的成分為12種，分別是正己醛、反-2-己烯醛、壬醛、癸醛、(E)-檸檬醛、檸檬醛、反-2-癸烯醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、香葉基丙酮、β-紫羅酮、法尼基丙酮和2-異丁基噻唑。EX2處理特征揮發性物質總含量最高，較CK處理增加19.11%，EX1處理總含量較CK處理降低10.58%。番茄果實的特征揮發性物質具有花香、果香、青香和特殊氣味。本研究中具有花香的特征揮發性物質是癸醛、香葉基丙酮、法尼基丙酮和β-紫羅酮，β-紫羅酮還與番茄果實特有的果酸味有關，以EX2處理含量最高；6-甲基-5-庚烯-2-酮、反-2-己烯醛、壬醛和2-異丁基噻唑這幾種物質與果香味有關，2-異丁基噻唑是番茄果實中獨有的揮發性物質，具有特殊番茄果香味[22]，以EX2處理含量最高；6-甲基-5-庚烯-2-酮與番茄紅素含量有關[23]，影響番茄整體風味，以CK處理含量最高；具有青香的物質是正己醛、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、順-3-己烯醇和水楊酸甲酯，正己醛與番茄果實的甜味相關，以CK處理含量最高。綜合來看，厭氧浸提液處理的番茄果實特征揮發性物質的種類較多并且含量較高，可以使番茄果實香氣濃郁，形成更好的風味。

表9 各處理下番茄果實中特征揮發性物質成分及其含量Table 9 Characteristic aromatic components and contents in tomato fruits under different treatments

3 討 論

糖酸比主要影響番茄果實的口感，用可溶性固形物與總酸的比值衡量[24-25]。本研究發現EX1和EX2處理中番茄果實的可溶性固形物含量和糖酸比均顯著高于CK處理，其原因可能是浸提液含有多種氨基酸且速效鉀含量較高。張恩平等[26]研究得出鉀元素會對番茄果實維生素C以及可溶性固形物含量產生較為明顯的影響。王子寧[27]研究得出肥料中加入少量氨基酸可以增加番茄果實可溶性固形物的含量進而增加糖酸比。有機物質腐熟后經水浸提，制成的有機營養液中，含有低分子量有機酸、游離氨基酸、糖和其他大分子物質等合成糖酸的直接前體，可以改善果實口感風味[28]。這與本研究結果一致，表明浸提液配成的有機營養液由于氨基酸等有機成分的增加可以顯著改善番茄果實口感。

植物中大多數化學反應依賴于酶的催化作用，可溶性蛋白含量在一定程度上代表了酶的活性水平[29]。有研究利用碳氮雙標記法證明氨基酸分子可以直接被植物吸收[30-31]，而合成可溶性蛋白的重要前體物質是各類氨基酸。浸提液中的氨基酸被番茄植株直接吸收利用，參與植株多樣和復雜的生理活動，使EX1和EX2處理果實中的可溶性蛋白含量較高，這與王峻等[32]的研究結果一致。劉偉等[33]指出氨基酸在適宜范圍內(氨基酸濃度不超過營養液總氮的50%)可以提高番茄果實維生素C含量。作為植物的抗氧化劑，維生素C在清除自由基和保證植物合成過程的穩定性方面起著重要作用，營養物質和揮發性物質的合成都依賴于這種穩定狀態[34]。兩種浸提液中少量的氨基酸和一定量的速效鉀使得EX1和EX2處理的維生素C含量均高于CK處理。EX2處理中番茄果實的糖酸比、可溶性蛋白含量以及維生素C含量均為最高，表明兩種浸提液特別是厭氧浸提液水培番茄可以顯著提高果實的營養品質。

成熟的番茄果實中，能鑒定出的揮發性物質近400余種，其主要是底物經一系列酶促反應而形成的化合物，分為酯類、醛類、酮類和醇類等[35]；其中對番茄風味有重要貢獻的揮發性物質約30余種，被稱為番茄果實的特征揮發性物質[36]。本研究中，EX1和EX2處理的揮發性物質和特征揮發性物質數量均高于CK處理；EX1處理揮發性物質總含量和特征揮發性物質總含量與CK處理無顯著性差異；EX2處理揮發性物質總含量和特征揮發性物質總含量均顯著高于CK處理。有研究發現部分揮發性物質起源于脂肪酸和氨基酸等[37]。而脂肪酸可以由可溶性糖通過多種反應產生，有機酸也包含脂肪酸的合成前體，參與這些反應的酶都是可溶性蛋白質[38]，說明糖酸和可溶性蛋白可以影響果實中揮發性物質的積累。Ma等[39]研究發現，揮發性物質的含量與維生素C、可溶性蛋白質含量高度相關，表明有機營養液可能通過清除自由基和提高酶活性來影響番茄果實中揮發性物質的積累。結合前人研究以及各處理果實營養品質可以發現，可能是因為厭氧浸提液更好的改善了果實營養品質，增加了果實中可溶性固形物、維生素C和可溶性蛋白的含量，從而影響了與合成揮發性物質有關底物的形成和酶的活性，改變了揮發性物質的種類構成和物質含量。同時對3個處理所測得的揮發性物質含量進行聚類分析，發現大部分同一類物質沒有被聚類到一起，這也表明了可能是揮發性物質形成的底物和有關酶的活性受到EX1和EX2中氨基酸等有機成分的影響[22]，導致EX1、EX2與CK中揮發性物質的種類構成和物質含量的不同。

4 結 論

本研究采用浸提液水培番茄，在設施栽培中，水培可以突破地域限制、避免連作障礙，能更好的與現代化農業的自動化和智能化管理模式相結合。此次研究表明，2種浸提液水培番茄可以有效改善番茄果實營養品質，并以厭氧浸提液處理下的番茄果實營養品質和風味最佳。同時本研究發現單純的使用番茄莖稈堆肥浸提液水培番茄還存在著缺陷，與對照處理相比浸提液處理的番茄長勢偏弱且生物積累量偏低。結合各營養液大量元素和微量元素分析可知，可能是因為2種浸提液中硝態氮和速效磷含量過少，造成養分供應不足[40]，具體原因還有待證實。浸提液營養元素的優化及對番茄的影響是下一步試驗的參考方向，以期能夠改善浸提液的營養成分及比例，達到穩產優質或高產優質的栽培效果。