楊俊偉，梁婷婷，嚴露露，張珂嘉，習林杰，鄒志榮,*

（1.西北農林科技大學園藝學院，陜西 楊凌 712100；2.農業(yè)農村部西北設施園藝工程重點實驗室，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學植物保護學院，陜西 楊凌 712100）

番茄（Solanum lycopersicum L.）含有豐富的營養(yǎng)物質和礦物質，如VC、磷、鉀和鈉等，同時還含有大量的番茄紅素、檸檬酸和蘋果酸等，具有抗癌[1-2]和促進消化的功能[3]，可以滿足人體的需要以及人們對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、植物工廠等設施和栽培技術的發(fā)展，番茄的周年供應得以實現，但這也導致了番茄風味的季節(jié)性變化[6-9]，使得番茄品質得不到保證。國內外研究表明，番茄果實的營養(yǎng)及風味受土壤環(huán)境[10]、水肥條件[11]、種植密度[12]等多種因素調控，也有研究表明光質也會影響番茄果實的品質與風味[13-14]。隨著半導體技術的快速發(fā)展，發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）在設施栽培中的應用越來越廣泛，尤其是在植物工廠中[15]，人們可以根據生產需要調制出不同光質。由于葉綠素的吸收光譜與紅藍光的光譜基本一致，因此通過對紅藍光比例的調控可以影響番茄幼苗的生長[16]。

國內外對不同光質對番茄果實影響有所報道，但是鮮有對不同比例紅藍光對番茄果實影響的研究。因此，本實驗旨在通過給番茄提供不同比例的紅藍光，研究其對番茄果實主要的營養(yǎng)物質及揮發(fā)性物質的影響，探討利用合適比例的紅藍光提高番茄的營養(yǎng)品質及風味，為設施生產中提高番茄的營養(yǎng)品質及風味提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

本實驗選用當地主栽品種‘金棚朝冠’，由陜西楊陵金棚種業(yè)有限公司提供。

1.2 儀器與設備

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

1.3 方法

1.3.1 實驗設計與分組

番茄種子經溫湯浸種后，催芽。待種子發(fā)芽后，設置光周期12 h/12 h，溫度25 ℃/20 ℃，相對濕度65%～75%，光照強度為100 μmol/（m2·s），待幼苗長至兩葉一心時，選取長勢一致的植株并移栽至12號植物生長箱內的營養(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，采取潮汐式營養(yǎng)液灌溉模式，營養(yǎng)液采取0.5 倍山崎番茄營養(yǎng)液配方。利用KG316T時控開關精準控制光周期（晝∶夜=14 h∶10 h），通過控制LED燈打開數量和LED燈板到番茄冠層高度使到達番茄葉冠層的光照強度達到（200±10）μmol/（m2·s）、溫度25 ℃/20 ℃（晝/夜），相對濕度65%～75%。實驗采用不同比例的紅（400～500 nm）、藍（600～700 nm）單色LED燈珠數量的組合，組成6 個不同光質處理，分別為白光（W）、紅光（R）、紅光∶藍光=1∶2（1R2B）、紅光∶藍光=1∶1（1R1B）、紅光∶藍光=2∶1（2R1B）、藍光（B），不同處理的波譜分布如圖1所示，在距離燈正下方20 cm處測定不同光質的波譜。

待番茄果實成熟后，每個處理選取6 株長勢一致的植株，每株在第3穗果選取大小一致的果實進行各項指標測定。

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

1.3.2 番茄單果質量和營養(yǎng)物質的測定

單果質量：待果實成熟后，選長勢一致的植株6 株，每株在第3穗果選取成熟度一致的果實，總共6 個，測定其質量，求其平均值。

可溶性固形物含量、可滴定酸質量分數和糖酸比用PAL-BX/ACID F5糖酸一體機測定；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍G-250法測定；可溶性糖質量分數采用蒽酮比色法測定；抗壞血酸含量用鉬藍比色法測定；根據胡曉波等[17]的方法測定番茄紅素的含量。

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。

分別在不同處理條件下取成熟度一致的6 個番茄果實，切取其1/8，混合，用液氮研磨儀打成粉末狀，-80 ℃保存?zhèn)溆?。待測量時快速準確稱取5 g樣品于40 mL頂空瓶中，并加入10 μL 0.04 μL/mL的內標（3-壬酮），同時加入NaCl 1.00 g和轉子1 個，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，將萃取頭立即插入色譜氣化室，解吸2.5 min，拔萃取頭，進行氣相色譜-質譜分析。每個處理進行3 個生物學重復，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毛細管色譜柱，柱長60 m，內徑0.25 mm，液膜厚度0.25 μm；進樣口溫度：220 ℃；進樣方式：不分流進樣；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 ℃；開始采集時間：2.0 min；定量方法：內標法；質量范圍：m/z 35～400。

1.3.4 揮發(fā)性物質定量分析

果實中萃取出的揮發(fā)性物質經氣相色譜-質譜分析，各色譜峰經計算機檢索NIST 2014標準質譜圖庫，輔以人工分析對應的化合物進行定性鑒定，僅報道正反匹配度大于800的揮發(fā)性物質。利用標準品對果實中萃取出來的揮發(fā)性物質進行定量分析。各揮發(fā)性成分含量按下式計算。

1.4 數據處理與分析

采用SPSS 20軟件對數據進行方差分析，利用Duncan’s法進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語言對不同處理下的番茄的芳香類物質進行聚類分析并繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同光質處理對植物工廠內番茄單果質量的影響

圖2 不同比例紅藍光處理對植物工廠內番茄單果質量的影響Fig. 2 Effects of different ratios of red to blue light on individual fruit mass in plant factories

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

2.2 不同光質處理對植物工廠內番茄可溶性固形物含量、可滴定酸質量分數和糖酸比的影響

不同光質對植物工廠內番茄風味品質影響顯著。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，番茄可滴定酸質量分數在W處理下最高，為0.65%，但與R和2R1B之間無顯著性差異；1R2B處理下可滴定酸質量分數最低，為0.57%，顯著低于其他處理（圖3B）。R處理下番茄果實的糖酸比最高，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 不同比例紅藍光處理對植物工廠內番茄風味品質的影響Fig. 3 Effects of different ratios of red to blue light on tomato flavor quality in plant factories

2.3 不同光質處理對植物工廠內番茄可溶性蛋白含量、可溶性糖質量分數、抗壞血酸和番茄紅素含量的影響

圖4 不同比例紅藍光處理對植物工廠內番茄營養(yǎng)品質的影響Fig. 4 Effects of different ratios of red to blue light on tomato nutritional quality in plant factories

不同光質處理對植物工廠內番茄營養(yǎng)品質影響顯著。由圖4A可知，2R1B處理下番茄果實的可溶性蛋白含量最高，達到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處理下番茄果實的可溶性糖質量分數較高，R處理次之，1R2B和B處理下可溶性糖質量分數較低；同時，2R1B處理下番茄果實的抗壞血酸含量最高，達到73.62 mg/100 g，顯著高于其他處理，B處理條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 不同光質處理對植物工廠內番茄揮發(fā)性物質的影響

如表1所示，6 個不同光質處理下的番茄果實中共檢測出53 種揮發(fā)性物質，其中R處理下檢測出的種類數最少，為34 種，2R1B、1R1B、1R2B和B較多，為36 種，W處理下檢測出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)性物質分別為17、5、5、0、1 種和7 種。

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

續(xù)表1

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

由表2可知，不同光質處理對番茄果實各類揮發(fā)性物質含量和相對含量影響較大。R處理下番茄果實的揮發(fā)性物質最多，其含量達到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，其相對含量達到73.76%，其次為醛類，為19.70%，未檢測到烴類；2R1B處理下其他物質相對含量為48.54%，其次為醛類，未檢測到烴類；1R1B和1R2B處理下醛類相對含量最高，分別達到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處理下醛類相對含量最高，為47.34%，其次為酮類，未檢測到烴類。

2.5 不同光質處理下番茄揮發(fā)性物質與主要品質性狀的聚類分析

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

使用R語言對不同處理下番茄主要的品質性狀和在6 個處理下均能檢測到的25 種揮發(fā)性物質進行聚類分析，如圖5所示。不同處理聚類分析可得，1R1B和1R2B距離最為接近，同時和W處理構成一個聚類亞群，2R1B、R和B分別單獨是一個亞群。對番茄主要品質性狀和揮發(fā)性物質進行聚類分析可得，番茄紅素與水楊酸甲酯在關系上最為接近，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-酮構成一個聚類亞群；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系較近，并與抗壞血酸和可滴定酸構成一個聚類亞群；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構成一個聚類亞群。

3 討 論

不同比例紅藍光對果實品質發(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量分數的比值決定著糖酸比的大小。有學者認為，紅光和3R1B可以顯著提高番茄果實可溶性糖質量分數和糖酸比，降低可滴定酸質量分數，藍光可以顯著提高抗壞血酸含量[22]。這與本實驗部分結果不一致，本實驗中R處理可以顯著提高番茄果實可溶性固形物含量，同時，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量分數，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]，同時也有研究發(fā)現番茄紅素在藍光處理下含量明顯升高[25]，而王麗偉[26]研究發(fā)現在番茄轉色期和成熟期，3R1B都可以顯著提高番茄紅素含量，這與本實驗發(fā)現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光可以提高番茄果實中的番茄紅素含量，推測是番茄品種對不同光質的響應差異造成的，這可能是由紅藍光的互補加性效應所導致[26]。

番茄揮發(fā)性物質是決定番茄風味的一個重要因素，其是底物經一系列酶促反應形成不同化合物的過程。近年來國內外對番茄揮發(fā)性物質進行了大量研究，在不同番茄品種中總共檢測到有400多種揮發(fā)性物質[27]，主要包括醛類、酮類、醇類、烴類和酯類等；其中，主要影響番茄果實風味的只有不到30 種揮發(fā)性物質[27-29]，而且有學者經研究得出乙酮、乙醛、乙醇、β-紫羅蘭酮和(Z)-3-己醇與酸味相關，(Z)-3-己烯醛和澀味關系較密切，(Z)-3-己烯醛、1-戊烯-3-酮與苦味相關[30]，香葉基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮與番茄的甜味相關[20]，在R處理下，與醛類相比，雖然酮類物質的種類較少，但總含量較高，推測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]研究結果類似。Lewinsohn等[31]發(fā)現色素對番茄某些芳香物質也會產生影響，如番茄紅素可以產生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，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]。本研究對在6 個不同光質處理下處理番茄果實中均能檢測到的25 種揮發(fā)性物質和主要的營養(yǎng)和風味品質聚類分析，發(fā)現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系較近，并與抗壞血酸和有機酸構成一個聚類亞群，可溶性固形物和可溶性糖與2-己炔-1-醇比較接近，結果表明部分物質與其前體物質或者前人研究揮發(fā)性物質與對應風味沒有聚類到一起，有些雖然聚在一個亞群，但是距離較遠，如6-甲基-5-庚烯-2-酮與其前體物質番茄紅素，這可能是揮發(fā)性物質對光質的響應差異影響了與揮發(fā)性物質形成有關酶的活性和底物的形成，從而導致?lián)]發(fā)性物質的構成與含量的不同[34]；另一方面可能是分析的物質類型較為復雜，使得相應的揮發(fā)性物質沒有集中在對應的代謝途徑中。后續(xù)研究要考慮對揮發(fā)性物質與特定的代謝途徑進行相關性分析。

綜合來看，R和2R1B處理可以極大提高揮發(fā)性物質的含量，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)性物質和非揮發(fā)性物質共同影響著番茄的風味品質。