番茄茎秆浸提液对番茄生长和风味品质的影响

李 琦 梅延豪 刘 齐 徐晓东 赵 芳 管彤彤 武永军 杨振超*

(1.西北农林科技大学 园艺学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 生命科学学院，陕西 杨凌 712100)

随着蔬菜产业和设施农业的发展，蔬菜作物茎秆产量越来越大，未经适当处理一方面会造成环境污染，另一方面浪费有机质资源。据统计，我国蔬菜茎杆的年产量约2.7亿t[1]，番茄占蔬菜总产量的7%左右[2]，每年会产生大量的番茄茎秆。以往处理茎秆的方式是将各类茎秆粉碎后直接还田，这种方式不但收效甚微且具有传播病原菌的风险[3]。而堆肥是处理茎秆最有效的一种利用途径，有研究表明番茄茎秆中含有丰富的矿质元素和有机物质[4]，且堆肥过程中微生物在可控条件下分解消耗茎秆中的有机物质，能够产生稳定、成熟、除臭、不含病原体和植物种子的有机质和腐殖酸[5-6]。经过堆肥处理的番茄茎秆可实现变废为宝，既保护了生态环境，又将有机质资源合理应用。

近年来，番茄茎秆堆肥化研究已取得了一些进展。牛博宇[7]以番茄茎秆有氧和厌氧2种堆肥产物栽培番茄，与普通基质栽培相比果实产量分别提高了9.80%和10.87%，且均提升了果实营养品质；辛鑫等[8]用番茄茎秆有氧堆肥产物浸提液浇灌作物，与山崎营养液浇灌相比虽然产量稍低，但果实中的可溶性固形物、维生素C和可溶性蛋白含量分别提高了30.89%、29.93%和39.84%，达到了改善果实营养品质的效果；胡晓婷等[9]研究表明，当番茄茎杆堆肥产物与土壤混配质量占比为12.5%时，与普通基质栽培相比果实产量无显著性差异，且果实中挥发性物质和特征挥发性物质总含量分别提升了 81.00% 和24.80%，这显著改善了番茄果实风味品质。其他作物茎秆中也有过类似研究，王园园等[10]研究发现当谷子茎秆的浸提液浓度低于一定范围时，可以促进谷子种子的萌发以及幼苗的生长；杨晓珍等[11]研究发现，功能性堆肥及堆肥浸提液有利于黄瓜的生长，增强黄瓜叶片的光合作用，从而促进果实中营养物质的积累，可以显著提高黄瓜产量。以上研究都是在基质和土壤栽培中进行，利用番茄茎秆堆肥产物浸提液进行有机营养液水培的研究还少见报道。基质或土壤栽培中，植物根系环境难以控制，会产生连作障碍[12]；而水培可以精准调控植物根系环境，避免连作障碍，并且水培不受地域或地形限制，有利于实现自动化和智能化的管理模式[13]。浸提液作为有机营养液还可以减少化肥使用，生产出健康的绿色农产品。因此，本研究拟利用番茄茎秆堆肥产物浸提液水培番茄，通过分析植株的生长、果实的营养及风味品质，探究番茄茎秆堆肥产物浸提液作为水培有机营养液的使用效果，旨在为各类蔬菜茎秆资源化技术提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验番茄品种为‘华美103’。番茄茎秆全部收集于杨凌五泉镇，经粉碎干燥后通过有氧和厌氧发酵，得到2种完全腐熟的堆肥产物。将两种腐熟的堆肥产物与清水按照质量比1∶5比例混合，每隔24 h搅拌1次，持续浸泡72 h，过滤后即为有氧发酵产物浸提液和厌氧发酵产物浸提液。使用Floesys型流动分析仪(Systea，意大利)、M410 blue notes型火焰光度计(Sherwood，英国)和S-433D氨基酸分析仪(日立，日本)测得3种营养液大量元素质量浓度(表1)、微量元素质量浓度(表2)和氨基酸质量浓度(表3)。

1.2 试验设计

试验于2019年4—8月在人工气候室内进行。采用水培方式，共设EX1(整个生长期用有氧浸提液)和EX2(整个生长期用厌氧浸提液)2个处理，以山崎营养液作为对照(CK)，重复4次。EX1、EX2和CK处理的标准营养液EC值均调控到2.0 ms/cm[14]，苗期使用1/2个标准浓度，生长期使用1个标准浓度。挑选长势优良和大小一致的番茄苗定值在水培槽中，并供氧20 min/h。每周对营养液进行1次换新，用磷酸调节各处理营养液的pH到6.0左右。人工气候室环境为：光期16 h，光强270±2 μmol/(m2·s)，温度30 ℃，湿度60%；暗期8 h，温度20 ℃，湿度60%[15]。植株管理按照常规方法进行。

1.3 测定项目与测定方法

1.3.1番茄生长指标及产量测定

用卷尺、游标卡尺和LI-3000C便携式叶面积仪，测量株高、茎粗和番茄生长点向下第4片叶的叶面积；将植株鲜样置于烘箱，先在110 ℃下杀青1 h，然后在60 ℃恒温下烘干至恒重，称量其重量即为该植株生物量；用LI-6800便携式光合仪测量番茄生长点向下第4片叶的光合；每个处理测量4株，并单独记录前3穗果产量，根据株行距(30 cm×40 cm)推算亩产。

表1 各营养液大量元素种类和质量浓度Table 1 Types and mass concentrations of macronutrients in each nutrient solution mg/L

表2 各营养液微量元素种类和质量浓度Table 2 Types and mass concentrations of microelements in each nutrient solution mg/L

表3 各营养液氨基酸种类和质量浓度Table 3 Types and mass concentrations of amino acids in various nutrient solutions mg/L

1.3.2番茄果实营养品质指标测定

可溶性固形物及总酸含量采用日本 Atago公司的PAL-1型手持折光显数仪测量，根据可溶性固形物与总酸含量的比值算出糖酸比；维生素C、可溶性蛋白和硝态氮含量分别用钼蓝比色法、考马斯亮蓝G20染色法和水杨酸-硫酸法测定[16]。所有的测量在每个处理中重复3次。

1.3.3挥发性物质测定

利用固相微萃取-气相色谱-质谱联用(SPME-GC-MS)技术[9,17]，检测番茄果实中挥发性物质的种类及其含量，并用R语言将果实中各类挥发性物质的含量进行聚类分析生成热图。

样品采集：果实成熟时，经过筛选和检验，每个处理选择6个颜色和大小相同的果实。将果实洗净，破碎成果肉匀浆，直接装在密封的250 mL样品瓶中，保存在-80 ℃超低温冰箱中，测定果实挥发性物质。所有的测量在每个处理中重复3次。

SPEM 取样：在40 ml样品瓶中放入5 g果实样品，随即放入3 g无水氯化钠 (分析纯)，再加入10 μL 0.04 μL/mL的3-壬酮(色谱纯标样)。快速用锡箔纸封住瓶口拧紧瓶盖，在45 ℃、速率300 r /min的恒温磁力搅拌器上平衡10 min。然后用顶空固相微萃取吸附40 min，迅速将吸附探头插进色谱气化室，加热挥发3 min，进行GC-MS分析。

气相条件：进样口温度为250 ℃，进样方式用不分流进样，载气为高纯He (99.999%)，流速为1.0 mL/min；升温程序为40 ℃ 保持2.5 min，5 ℃/min 升至150 ℃，10 ℃/min升至230 ℃，维持8 min。色谱柱为HP-INNOWAX弹性石英毛细管柱 (60 m×0.25 mm，0.25 μm)

质谱条件：采用ISQ气相色谱-质谱联用仪。电离方式为电子电离，电离电压70 eV；检测器电压1 604 V；离子源温度240 ℃；传输线温度240 ℃；质量扫描范围 35～450 amu。

挥发性物质的计算：各处理的样品经过气相进行分离后，各组分会产生不同的色谱峰，经过NISEX1013和WILEY质谱检索，定量分析作出鉴定。选取正反匹配度>800(最大值1 000)的鉴定结果[18]。计算公式[19]如下：

式中：A1表示样品峰面积；A2表示内标峰面积；W1表示内标量，μg；W2表示样品量，g；C表示挥发性物质含量，μg/g。

1.4 数据分析

用 Excel 2010进行数据整理和图表制作，用SPSS 23.0中的Duncan新复极差法进行数据的方差分析(P≤0.05)。

2 结果与分析

2.1 各处理对番茄植株形态、光合、生物量及产量的影响

各处理在株高方面无显著性差异，但CK处理在茎粗、叶面积、生物量及产量方面均与EX1和EX2处理呈现出显著性差异。其中CK处理茎粗达到11.02 mm，较EX1和EX2处理分别高出19.39%和15.03%；CK处理叶面积达到27.42 cm2，较EX1和EX2处理分别高出72.24%和65.67%；CK处理生物量达到了62.91 g，较EX1和EX2处理分别高出93.03%和61.11%；CK处理三穗果产量达到了2 922.49 kg/667 m2，较EX1和EX2处理分别高出48.08%和55.65%(表4)。CK处理净光合速率显著高于其他处理，其净光合速率达到17.761 2 μmol/(m2·s)，较EX1和EX2处理分别高出131.55%和132.46%；各处理之间蒸腾速率无显著性差异，可能是各处理所处环境的参数相同所致；CK处理胞间CO2浓度显著低于其他处理，可能是CK处理净光合速率较高，消耗较多的胞间CO2，EX1和EX2处理之间净光合速率基本相同，所以胞间CO2浓度无显著性差异；气孔导度方面CK处理显著大于其他处理，而EX1和EX2处理之间无显著性差异(表5)。综合来看,CK处理植株长势与光合特性表现较好，可以提高生物积累量和产量。

2.2 各处理对番茄果实营养品质的影响

由表6可知，EX2处理番茄果实中可溶性固形物含量显著高于CK和EX1处理，分别高出 37.59% 和8.83%；各处理间总酸含量无显著性差异；EX1和EX2处理糖酸比均显著高于CK处理，其中EX2处理比值最高，较CK处理高出43.91%；EX2处理可溶性蛋白的含量较CK和EX1处理分别提高了66.87%和47.59%；各处理间硝态氮含量无显著性差异；EX2处理维生素C含量显著高于CK和EX1处理，EX2处理较CK和EX1处理分别提高了35.16%和13.90%。综合来看，浸提液水培番茄特别是厌氧浸提液可以提升番茄营养果实品质，但是相对于CK处理果实硝态氮含量有所升高，这与部分氨基酸如天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸和异亮氨酸等会降低果实硝酸盐含量的结果不同[20]，可能是浸提液中的部分氨基酸在水中分解成了无机氮被植株吸收，导致了硝酸盐含量的上升，具体原因还有待探究。但各处理下番茄果实硝酸盐含量均未超过432 mg/kg的国家一级蔬菜硝酸盐限量标准[21]。

表4 各处理下番茄的形态、生物量和产量Table 4 Tomato morphology, biomass and yield under different treatments

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

表6 各处理下番茄的果实营养品质Table 6 Nutritional quality of tomato fruit under different treatments

2.3 各处理对番茄果实挥发性物质的影响

通过表7可知，CK、EX1和EX2处理检测出挥发性物质共41种，包括醛类物质21种、醇类物质7种、酮类物质6种、酯类物质2种、烃类物质1种及4种未分类物质。其中只在EX1和EX2处理中检测出酯类和烃类物质。通过表7和表8可知，醛类物质中EX2处理总含量最高，较CK处理增加38.67%，正己醛、反-2-己烯醛、(E，E)-2,4-癸二烯醛和反-2-辛烯醛在醛类物质中占比较大；酮类物质中，以EX2处理含量最高，较CK处理增加4.43%，其中以6-甲基-5-庚烯-2-酮与香叶基丙酮两种挥发性物质占比较大；醇类物质中EX1和EX2处理分别较CK处理高出33.63%和52.58%，占比较大的是正己醇、顺-3-己烯醇、6-甲基-5-庚烯-2-醇；CK处理番茄果实中未检测出酯类物质，EX1和EX2处理酯类物质含量相当；烃类物质整体占比较低，对果实风味影响较小；EX1和EX2处理未分类物质的总含量均高于CK处理。EX1、EX2与CK处理果实中挥发性物质总含量依次为1 403.35、1 931.10和1 368.40 μg/kg，其中EX2处理总含量较CK处理提高了41.12%，EX1处理总含量略高于CK处理。CK处理检测出27种挥发性物质，EX1和EX2处理分别检测出39和34种，均多于CK处理。表明浸提液水培番茄，对果实挥发性物质含量和种类有积极影响，利于提升果实香气品质。

表7 各处理下番茄果实挥发性物质成分分析Table 7 Analysis of volatile components in tomato fruits under different treatments

表7(续)

表8 各处理下番茄果实各类挥发性物质总含量和相对含量Table 8 Total volatile matter content and relative content of tomato fruits under different treatments

2.4 各处理下番茄挥发性物质含量的聚类分析

利用R语言将3个处理中同一个挥发性物质含量进行标准化处理，定义在(-2,2)之间。图中小方格表示每个挥发性物质，其颜色表示该挥发性物质在3个处理中含量的差异程度。如图1所示，各挥发性物质之间，(E)-柠檬醛和柠檬醛关系最为接近，并且和法尼基丙酮、6-甲基-5-庚烯-2-醇构成一个聚类亚群；反，反-2,4-庚二烯醛和反-2-己烯醛关系较为接近、香叶基丙酮和β-紫罗兰酮关系较为接近，并和6-甲基-5-庚烯-2-酮构成了一个聚类亚群；愈创木酚和4-[2,2,6-三甲基-7-氧杂二环[4.1.0]庚-1-基]-3-丁烯-2-酮比较接近，并且和4-甲基-3-环己烯-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-丁烯醛聚成一个亚群；β-环柠檬醛和1-戊醇关系较为接近，并和十二醛、2-正戊基呋喃构成一个聚类亚群；反-2-庚烯醛和顺-3-己烯醇较接近，并和正辛醛、反-2-戊烯醛、2-十一烯醛聚成一个亚群。通过对各挥发性物质含量聚类分析可知，除香叶基丙酮、β-紫罗兰酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮构成了一个聚类亚群以外，其余亚群均为不同类别物质构成，说明浸提液处理相比对照处理对番茄挥发性物质含量产生了影响。

越偏红色表示差异越大，越偏蓝色表示差异越小。The more red the color, the greater the difference, the more blue the color is, the smaller the difference.图1 各处理下番茄挥发性物质含量的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of volatile compounds in tomato under different treatments

2.5 各处理对番茄果实中特征挥发性物质成分及其含量的影响

特征挥发性物质构成了番茄果实的主体风味。由表9可知，3个处理下共检测出17种特征挥发性物质，EX1和EX2处理均为17种，CK处理为12种；3个处理共有的成分为12种，分别是正己醛、反-2-己烯醛、壬醛、癸醛、(E)-柠檬醛、柠檬醛、反-2-癸烯醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、香叶基丙酮、β-紫罗酮、法尼基丙酮和2-异丁基噻唑。EX2处理特征挥发性物质总含量最高，较CK处理增加19.11%，EX1处理总含量较CK处理降低10.58%。番茄果实的特征挥发性物质具有花香、果香、青香和特殊气味。本研究中具有花香的特征挥发性物质是癸醛、香叶基丙酮、法尼基丙酮和β-紫罗酮，β-紫罗酮还与番茄果实特有的果酸味有关，以EX2处理含量最高；6-甲基-5-庚烯-2-酮、反-2-己烯醛、壬醛和2-异丁基噻唑这几种物质与果香味有关，2-异丁基噻唑是番茄果实中独有的挥发性物质，具有特殊番茄果香味[22]，以EX2处理含量最高；6-甲基-5-庚烯-2-酮与番茄红素含量有关[23]，影响番茄整体风味，以CK处理含量最高；具有青香的物质是正己醛、反-2-庚烯醛、反-2-戊烯醛、顺-3-己烯醇和水杨酸甲酯，正己醛与番茄果实的甜味相关，以CK处理含量最高。综合来看，厌氧浸提液处理的番茄果实特征挥发性物质的种类较多并且含量较高，可以使番茄果实香气浓郁，形成更好的风味。

表9 各处理下番茄果实中特征挥发性物质成分及其含量Table 9 Characteristic aromatic components and contents in tomato fruits under different treatments

3 讨 论

糖酸比主要影响番茄果实的口感，用可溶性固形物与总酸的比值衡量[24-25]。本研究发现EX1和EX2处理中番茄果实的可溶性固形物含量和糖酸比均显著高于CK处理，其原因可能是浸提液含有多种氨基酸且速效钾含量较高。张恩平等[26]研究得出钾元素会对番茄果实维生素C以及可溶性固形物含量产生较为明显的影响。王子宁[27]研究得出肥料中加入少量氨基酸可以增加番茄果实可溶性固形物的含量进而增加糖酸比。有机物质腐熟后经水浸提，制成的有机营养液中，含有低分子量有机酸、游离氨基酸、糖和其他大分子物质等合成糖酸的直接前体，可以改善果实口感风味[28]。这与本研究结果一致，表明浸提液配成的有机营养液由于氨基酸等有机成分的增加可以显著改善番茄果实口感。

植物中大多数化学反应依赖于酶的催化作用，可溶性蛋白含量在一定程度上代表了酶的活性水平[29]。有研究利用碳氮双标记法证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体物质是各类氨基酸。浸提液中的氨基酸被番茄植株直接吸收利用，参与植株多样和复杂的生理活动，使EX1和EX2处理果实中的可溶性蛋白含量较高，这与王峻等[32]的研究结果一致。刘伟等[33]指出氨基酸在适宜范围内(氨基酸浓度不超过营养液总氮的50%)可以提高番茄果实维生素C含量。作为植物的抗氧化剂，维生素C在清除自由基和保证植物合成过程的稳定性方面起着重要作用，营养物质和挥发性物质的合成都依赖于这种稳定状态[34]。两种浸提液中少量的氨基酸和一定量的速效钾使得EX1和EX2处理的维生素C含量均高于CK处理。EX2处理中番茄果实的糖酸比、可溶性蛋白含量以及维生素C含量均为最高，表明两种浸提液特别是厌氧浸提液水培番茄可以显著提高果实的营养品质。

成熟的番茄果实中，能鉴定出的挥发性物质近400余种，其主要是底物经一系列酶促反应而形成的化合物，分为酯类、醛类、酮类和醇类等[35]；其中对番茄风味有重要贡献的挥发性物质约30余种，被称为番茄果实的特征挥发性物质[36]。本研究中，EX1和EX2处理的挥发性物质和特征挥发性物质数量均高于CK处理；EX1处理挥发性物质总含量和特征挥发性物质总含量与CK处理无显著性差异；EX2处理挥发性物质总含量和特征挥发性物质总含量均显著高于CK处理。有研究发现部分挥发性物质起源于脂肪酸和氨基酸等[37]。而脂肪酸可以由可溶性糖通过多种反应产生，有机酸也包含脂肪酸的合成前体，参与这些反应的酶都是可溶性蛋白质[38]，说明糖酸和可溶性蛋白可以影响果实中挥发性物质的积累。Ma等[39]研究发现，挥发性物质的含量与维生素C、可溶性蛋白质含量高度相关，表明有机营养液可能通过清除自由基和提高酶活性来影响番茄果实中挥发性物质的积累。结合前人研究以及各处理果实营养品质可以发现，可能是因为厌氧浸提液更好的改善了果实营养品质，增加了果实中可溶性固形物、维生素C和可溶性蛋白的含量，从而影响了与合成挥发性物质有关底物的形成和酶的活性，改变了挥发性物质的种类构成和物质含量。同时对3个处理所测得的挥发性物质含量进行聚类分析，发现大部分同一类物质没有被聚类到一起，这也表明了可能是挥发性物质形成的底物和有关酶的活性受到EX1和EX2中氨基酸等有机成分的影响[22]，导致EX1、EX2与CK中挥发性物质的种类构成和物质含量的不同。

4 结 论

本研究采用浸提液水培番茄，在设施栽培中，水培可以突破地域限制、避免连作障碍，能更好的与现代化农业的自动化和智能化管理模式相结合。此次研究表明，2种浸提液水培番茄可以有效改善番茄果实营养品质，并以厌氧浸提液处理下的番茄果实营养品质和风味最佳。同时本研究发现单纯的使用番茄茎秆堆肥浸提液水培番茄还存在着缺陷，与对照处理相比浸提液处理的番茄长势偏弱且生物积累量偏低。结合各营养液大量元素和微量元素分析可知，可能是因为2种浸提液中硝态氮和速效磷含量过少，造成养分供应不足[40]，具体原因还有待证实。浸提液营养元素的优化及对番茄的影响是下一步试验的参考方向，以期能够改善浸提液的营养成分及比例，达到稳产优质或高产优质的栽培效果。