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二氧化碳施肥對櫻桃番茄果實發育和品質的影響

2018-07-05 11:42陳珊珊周業凱張志明張敏汪俏梅
關鍵詞:番茄紅素胡蘿卜素櫻桃

陳珊珊,周業凱,張志明,張敏,汪俏梅

(浙江大學農業與生物技術學院/農業部園藝作物生長發育重點實驗室,杭州310058)

櫻桃番茄(Solanum lycopersicum Mill.),又名微型番茄、小番茄等,其果實的可溶性固形物含量比一般大果型鮮食品種高1倍以上。由于其鮮食口感好、風味品質佳,深受廣大消費者喜愛。隨著人們對櫻桃番茄營養品質的認識,其消費和種植不斷擴大,是一種很有前景的蔬菜[1]。

番茄的設施栽培在我國發展很快,栽培面積不斷擴大。番茄的CO2飽和點一般為1 200μL/L,但由于設施環境相對封閉,導致CO2體積分數明顯下降,成為限制設施番茄品質和產量的重要因素之一。以大棚為例,白天時大棚中CO2體積分數僅為100~250μL/L,遠不能滿足植物的生長需求,甚至使光合作用受到抑制[2],因而導致大棚中的櫻桃番茄存在口感差和營養品質低的問題。多項研究均表明,CO2施肥能夠顯著提高作物的產量,如:促進大白菜(Brassica pekinensis)的生長發育,使株幅、周長、葉數、單株凈菜質量等生長指標顯著增加,結球率也顯著提高[3];顯著提高黃瓜(Cucumis sativus L.)的產量[4]。之前關于CO2施肥對番茄的影響研究主要側重于植物生長及果實產量等指標[5-6],涉及果實品質的研究還較少。本文主要研究了CO2施肥對櫻桃番茄果實發育和品質性狀的影響,以期為設施栽培中通過一些有效途徑改善櫻桃番茄的品質提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與取樣

試驗在浙江省平湖市廣陳鎮蔬菜生產基地的塑料大棚內進行。供試櫻桃番茄品種為當地主栽品種“神童”。番茄按常規方法種植,定植時株行距均為35 cm,試驗組與對照組除CO2體積分數不同外,其他環境條件均一致。

在番茄植株的開花期進行花期標記?;ㄆ跇擞浐蟮牡?0天取樣為綠熟期,第43天取樣為破色期,第47天取樣為轉色期,第57天取樣為紅熟期。果實的典型發育時期劃分依據美國番茄成熟度分級國家標準。綠熟期(mature green,MG),已達到商業成熟,全果深綠;破色期(breaker,B),外觀開始微顯紅色,顯色<10%;轉色期(turning,T),果實淡紅色,顯色60%~90%;紅熟期(red ripening,R),果實深紅色,顯色100%。

1.2 CO2施肥

CO2裝置由農業有機廢棄物發酵原料、發酵菌種和其他裝置構成[7]。在處理棚內等距放置3個簡易發酵裝置,可持續產生CO2,使棚內CO2體積分數維持在800~900μL/L之間,基本滿足大棚內植物對CO2的需求。

1.3 番茄果實各種指標的測定

1.3.1 果實縱徑、橫徑及果形指數的測定

隨機選取不同成熟期的果實各10個,用游標卡尺分別測量果實縱徑和橫徑。果形指數=縱徑/橫徑,其中:果形指數>1.0為高圓形果;在0.85~≤1.0之間為圓形果;在0.7~≤0.85之間為扁圓形果;≤0.7為扁形果。

1.3.2 單果質量的測定

隨機選取不同成熟期的果實各3個,分別用天平稱量果實的單果質量,并計算平均值。

1.3.3 色差的測定

隨機選取不同成熟期的果實各10個,用ColorQuest XE色差儀(HunterLab公司,美國)分別進行測定。測定結果用CIE L*a*b*系統表示,并計算L*,a*,b*,C,H°和h等參數。其中L*代表亮度,C代表色度,H°代表弧角,h代表色素密度。當a*<0及b*>0時,H°=tan-1(b*/a*)+180°;當a*>0及b*≥0,H°=tan-1(b*/a*),C=(a*2+b*2)1/2,h=a*/b*。

1.3.4 硬度的測定

隨機選取不同成熟期的果實各3個,用TA-XT2i質構儀(Stable Micro Systems公司,英國)分別在番茄果實的中心赤道位置測定果實硬度。質構儀探頭直徑8 mm,測定速度1 mm/s,測定深度10 mm。每個果實測6次,每次測定取最大值,所有測試均在室溫下進行。

1.3.5 可溶性固形物的測定

隨機選取不同成熟期的果實各3個,分別放入勻漿機中使其混合均勻,吸取適量滴于阿貝折射儀中,對光讀取刻度。每個時期的果實分別測定3次,并計算平均值。

1.3.6 可溶性糖的測定

隨機選取不同成熟期的果實各3個,參照張憲政等[8]的方法分別測定其可溶性糖含量。稱取0.5 g左右的果實,打成勻漿后倒入離心管內,加入15 mL蒸餾水,在沸水浴中煮沸20 min;取出冷卻后定容到25 mL,5 000 r/min離心10 min;吸取1 mL上清液,加5 mL蒽酮試劑與之混合,并于沸水中煮沸10 min;取出冷卻,然后用UV-2500分光光度計(Shimadzu公司,日本)測定在波長620 nm下的吸光度值。從標準曲線上查得濾液中的糖含量,計算樣品中含糖百分數。w(可溶性糖)=[(C×V)/(m×106)]×100%,式中:C為提取液的含糖量,μg/mL;V為植物樣品稀釋后的體積,mL;m為植物組織鮮質量,g。

1.3.7 可滴定酸的測定

隨機選取不同成熟期的果實各3個,分別放入勻漿機中使其混合均勻,吸取3 g勻漿液轉入50 mL三角瓶中,加入蒸餾水定容至20 mL;用0.01 mol/L NaOH滴定至pH為8.2,記錄NaOH消耗的體積,計算樣品中可滴定酸含量。w(可滴定酸)=[(C×V)/m]×0.075×100%,式中:C為NaOH標準溶液濃度,mol/L;V為滴定時所消耗的NaOH標準溶液體積,mL;m為吸取的勻漿液質量,g。

1.3.8 果實呼吸強度的測定

隨機選取不同成熟期的果實各3個,分別用紅外線CO2分析儀測定其在一段時間開始和結束時的CO2體積分數,計算呼吸強度(respiratory intensity,RI)。呼吸強度/[μL/(g·h)]=(C-C0)×(V0-V)/(m×t),式中:C0為測定開始的CO2體積分數,μL/L;C為測定結束的CO2體積分數,μL/L;V0為測定系統總體積,L;V為果實所占體積,L;m為果實樣品質量,g;t為測定開始到結束的時長,h。

1.3.9 維生素C的提取和高效液相色譜法(high performance liquid chromatography,HPLC)分析

隨機選取不同成熟期的果實各3個,參照NICOLETTA等[9]的方法,分別稱取樣品2~5 g于研缽中,加1%草酸溶液和少量石英砂研磨,然后用1%草酸溶液定容到25 mL,以7 000 r/min離心10 min后取上清液,過濾后用于HPLC分析。HPLC條件:C18柱(大連依利特分析儀器有限公司),5 μm粒徑,250 mm×4.6 mm i.d.,柱溫30 ℃,流動相為0.1%草酸溶液,檢測波長243 nm。從標準曲線上查得樣品中維生素C的含量。

1.3.10 類胡蘿卜素的提取和HPLC分析

隨機選取不同成熟期的果實各3個,參照LIU等[10]的方法,分別攪拌成勻漿,配制待測液用于HPLC分析。HPLC條件:C18柱(大連依利特分析儀器有限公司),5 μm粒徑,250 mm×4.6 mm i.d.,柱溫30 ℃,流動相為V(甲醇)∶V(乙腈)=90∶10,0.05%三乙胺(triethylamine,TEA),流速1.2 mL/min,檢測波長475 nm,檢測時長30 min。從標準曲線上查得樣品中葉黃素、番茄紅素和β-胡蘿卜素的含量。

1.4 數據處理分析

利用Excel 2003、SPSS 16.0和Origin 8.0軟件分別進行數據統計、差異顯著性分析和作圖。試驗數據首先進行齊性測試,然后進行方差分析(analysis of variance,ANOVA)。平均值之間的顯著性分析采用最小顯著差異法(least significant difference,LSD)的單因素方差分析,顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 CO2施肥對番茄果實發育及外觀品質的影響

2.1.1 果實的縱徑、橫徑及果形指數

圖1 CO2施肥對櫻桃番茄果實縱徑和橫徑的影響Fig.1 Effects of CO2enrichment on vertical and transverse diameters of cherry tomato fruits

由圖1可看出,與對照組相比,CO2施肥處理組的番茄果實在綠熟期與轉色期縱徑顯著提高,在破色期橫徑顯著提高。說明CO2施肥在一定程度上促進了果實的發育。由表1可知:CO2施肥處理組與對照組的果形指數隨著果實發育均呈下降趨勢;雖然果形均為高圓形,但與對照組相比,CO2施肥極顯著地提高了番茄果實綠熟期、破色期與轉色期的果形指數,使得果形偏長。

表1 CO2施肥對不同成熟時期櫻桃番茄果實的果形指數的影響Table 1 Effects of CO2enrichment on fruit shape index of cherry tomato at different stages

2.1.2 果實硬度和單果質量

從圖2可以看出:與對照組相比,CO2施肥能顯著增加綠熟期與破色期番茄果實的硬度;除此之外,CO2施肥還能顯著提高各個時期番茄果實的單果質量,分別使綠熟期、破色期、轉色期和紅熟期番茄果實的單果質量與對照相比增加了19.26%、26.90%、32.65%和8.56%。說明CO2施肥促進了各時期櫻桃番茄果實的發育。

2.1.3 果實色澤

如圖3所示:在CO2施肥處理組中,果實的亮度指標L*值在綠熟期、破色期與紅熟期均顯著高于對照組,表明CO2施肥提高了番茄果實的亮度;隨著果實的成熟,色澤參數a*值均逐漸升高,b*值均逐漸降低,且CO2施肥組的果實a*值在轉色期和紅熟期顯著高于對照組,b*值在每個成熟階段均顯著低于對照組,這就使色素密度(h=a*/b*)在CO2施肥處理組和對照組的轉色期和紅熟期差異顯著。此外,將a*和b*轉換為色度角,可以更客觀地反映果實色澤的變化程度。如圖3所示:在CO2施肥組和對照組中,番茄果實的色度值在破色期、轉色期和紅熟期均隨著番茄果實的成熟逐漸升高,而對照組番茄的色度值則升高得比較慢,表明CO2施肥促進了櫻桃番茄果實著色;在綠熟期和破色期,對照組和CO2施肥組番茄果實的色度角Ho變化不明顯,但是在轉色期和紅熟期,CO2施肥組番茄果實的色度角顯著低于對照,表明CO2施肥促進了番茄果實變紅。綜上所述,CO2施肥對番茄果實的色澤指標有顯著影響,能夠促進番茄果實的著色,提高果實亮度,從而提高櫻桃番茄果實的商品性。

圖2 CO2施肥對櫻桃番茄果實硬度和單果質量的影響Fig.2 Effects of CO2enrichment on fruit firmness and single fruit mass of cherry tomato

圖3 CO2施肥對櫻桃番茄果實色澤的影響Fig.3 Effects of CO2enrichment on fruit color of cherry tomato

2.2 CO2施肥對番茄果實風味品質的影響

如圖4所示:番茄果實中可溶性糖、可滴定酸含量和糖酸比均隨著果實的成熟而逐漸升高,并在轉色期達到最大值,在紅熟期有所回落,且CO2施肥組在破色期、轉色期與紅熟期與對照組的差異達顯著水平;可溶性固形物含量也隨果實的成熟逐漸升高,并在紅熟期達到最高,且在4個時期與對照組差異均為顯著。表明CO2施肥促進了櫻桃番茄果實中可溶性糖、可滴定酸等物質的積累。

2.3 CO2施肥對番茄營養品質的影響

2.3.1 維生素C含量

由圖5可知,在果實的每個成熟階段,CO2施肥組中果實的維生素C含量均顯著高于對照,其中在轉色期和紅熟期分別比對照高24.49%和14.48%。表明CO2施肥能有效提高番茄果實中維生素C的含量。

圖4 CO2施肥對櫻桃番茄果實中可溶性糖、可滴定酸、糖酸比和可溶性固形物的影響Fig.4 Effects of CO2enrichment on soluble sugar,titratable acid,sugar-acid ratio and soluble solid of cherry tomato fruits

圖5 CO2施肥對櫻桃番茄果實中維生素C含量的影響Fig.5 Effects of CO2enrichment on vitamin C content of cherry tomato fruits

2.3.2 果實的呼吸強度

從圖6中可以看出,番茄果實在綠熟期的呼吸強度較弱,在后面3個成熟時期的呼吸強度增強,但是變化規律不明顯。除紅熟期外,其他各時期CO2施肥組的番茄果實的CO2釋放量均顯著低于對照組,說明CO2施肥能夠降低果實的呼吸強度,從而減少消耗,進而促進果實營養物質的積累。

2.3.3 類胡蘿卜素含量

番茄紅素、β-胡蘿卜素和葉黃素是番茄中最重要的3種類胡蘿卜素。如圖7所示:隨著果實的成熟,番茄紅素、β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素含量都逐漸增加,而葉黃素含量逐漸下降;與對照組相比,番茄紅素含量在轉色期和紅熟期分別高于對照25.28%和50.55%,β-胡蘿卜素含量在綠熟期、破色期與紅熟期相對于對照也得到顯著提高,但在2種處理環境下葉黃素含量的變化規律不明顯;在CO2施肥處理組中,番茄果實在各個成熟時期的類胡蘿卜素總量分別比對照高88.17%、21.15%、14.17%和37.59%。由此可知,CO2施肥主要通過促進番茄紅素和β-胡蘿卜素的積累來提高類胡蘿卜素總量。

圖6 CO2施肥對櫻桃番茄果實呼吸強度的影響Fig.6 Effects of CO2enrichment on respiratory intensity of cherry tomato fruits

3 討論與結論

CO2是植物光合作用的原料,在一定范圍內提高環境中的CO2濃度,增大CO2與O2的比值,可以增加1,5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,RuBisCO)的羧化活性,降低加氧活性,從而提高羧化酶與加氧酶活性比,抑制光呼吸,提高凈光合速率[11]。CO2加富已成為人們控制設施環境、調控作物光合作用、促進作物生長和提高作物產量的重要手段[12]。目前,國內普遍采用碳酸氫銨與硫酸反應法進行CO2施肥,此方法不僅成本較高,操作煩瑣,而且對大棚CO2濃度的維持時間較短,白天甚至處于虧缺狀態[13]。本研究采用農業有機廢棄物發酵方式進行CO2施肥,既減少了農業有機廢棄物對環境的污染,又能使大棚內CO2濃度全天維持在較高水平[14]。

圖7 CO2施肥對櫻桃番茄果實中類胡蘿卜素含量的影響Fig.7 Effects of CO2enrichment on carotenoid contents of cherry tomato fruits

本研究發現,CO2施肥能夠促進櫻桃番茄果實縱徑和橫徑的發育,且表現為對縱向生長的促進效應大于橫向生長,與劉志華等[15]對保護地茄果類蔬菜CO2施肥效應的研究結果一致。這可能是由于CO2施肥對番茄果實發育過程中果肉細胞縱向分裂和體積增大的促進作用大于橫向分裂和體積增大的促進作用。由于番茄果實發育過程呈前期生長緩慢、中期迅速生長、后期生長減緩的單“S”曲線模式,在相同處理下,番茄果實的縱徑與橫徑隨著果實發育無明顯變化。此外,在本研究中,CO2施肥能降低果實的呼吸強度,從而促進營養物質的積累,且能使果實的單果質量提高8.56%~32.65%。說明CO2施肥能夠通過促進番茄果實發育及降低呼吸強度來提高果實的單果質量。

在外觀品質方面,本試驗發現,CO2施肥能夠提高果實硬度,這對于提高番茄果實的耐貯運性有著重要意義。同時,CO2施肥還能夠提高果實亮度,促進果實著色,從而提高番茄果實的商品性,這與王國政等[16]的研究結果一致。隨著櫻桃番茄果實的成熟,果實的色澤參數a*值逐漸升高,且CO2施肥組中的果實a*值在轉色期和紅熟期顯著高于對照,與番茄成熟過程中番茄紅素含量的變化規律相似。由此可以推測,CO2施肥促進番茄果實著紅色可能是通過增加果實內番茄紅素的積累而實現的。

在風味品質方面,我們發現CO2施肥能夠提高櫻桃番茄果實中可溶性糖的含量,這與增施CO2對草莓(Fragaria×ananassa Duch.)、油桃(Prunus persica var.nectarina)等影響的研究結果[17-18]一致。果實中的蔗糖、葡萄糖、果糖被認為是最主要的可溶性糖,CO2施肥可能是通過增加光合作用的底物來增加光合速率,從而促進植物中可溶性糖的積累。部分研究指出,可滴定酸含量會隨CO2濃度的提高而減少或變化不顯著[13,19],而本試驗表明,CO2施肥后番茄果實的可滴定酸及糖酸比都有所提高,這可能是由CO2施肥方法的差異或品種間的差異引起的,其具體原因有待于進一步探究。

在營養品質方面,我們發現CO2施肥能夠顯著提高櫻桃番茄果實中可溶性固形物和維生素C的含 量 ,這 與 在 桃(Amygdalus persica L.)、杏(Armeniaca vulgaris L.)中得到的結果[19]一致。前人的研究表明,CO2施肥能夠顯著提高番茄紅素的含量[20],但對于其他類胡蘿卜素組分的影響研究較少。本試驗發現,CO2施肥能夠顯著提高紅熟期櫻桃番茄果實中番茄紅素、β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素的含量。番茄紅素、β-胡蘿卜素等類胡蘿卜素生物合成的前體為乙酰輔酶A(乙酰CoA),而乙酰CoA主要由糖酵解產生的丙酮酸經氧化脫羧形成。CO2施肥可能是通過促進碳源的積累及植物體內的糖酵解途徑,促進類胡蘿卜素前體乙酰CoA的積累,進而提高櫻桃番茄果實中番茄紅素、β-胡蘿卜素和總類胡蘿卜素的含量,但其內在的生理和分子機制仍有待于進一步闡明。

綜上所述,CO2施肥在塑料大棚栽培中不僅能夠促進櫻桃番茄果實的發育,增加單果質量,還能夠改善紅熟期櫻桃番茄果實的外觀品質、風味品質和營養品質,顯著提升其商品性,因而在櫻桃番茄的設施栽培中具有廣闊的應用前景。

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