增施CO2与LED补光对番茄果实品质及挥发性物质的影响

岳钉伊，张 静，赵建涛，邹志荣*

（西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100）

增施CO2与LED补光对番茄果实品质及挥发性物质的影响

岳钉伊，张 静，赵建涛，邹志荣*

（西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100）

以‘金棚1号’番茄为实验材料，研究了在秋冬季日光温室里增施不同浓度CO2和LED补光对番茄果实产量、品质以及挥发性芳香物质的影响。结果表明：LED补光+增施CO21 200 μL/L的处理条件可显著提高番茄果实中可溶性固形物、总酸、可溶性蛋白质和番茄红素的含量，显著增加单果质量、果实颜色，并显著降低果实硝酸盐的含量。利用顶空固相萃取结合气相色谱-质谱联用仪对果实的挥发性芳香物质的含量进行测定，结果表明LED补光与增施CO2提高了番茄特征挥发性芳香物质的含量，如6-甲基-5-庚烯-2酮、β-紫罗兰酮和己醛等，也丰富了其种类，使番茄果味香浓，香气丰富。

增施CO2；LED补光；番茄；品质；挥发性芳香物质

番茄（Lycopersicon esculentum Mill.）含有丰富的营养物质并具有独特的风味，深受全世界人民的喜爱，是人们餐桌上常见的蔬菜。作为重要蔬菜作物，番茄在世界范围内栽培广泛，也是我国温室中的主栽蔬菜[1]。在我国秋冬季日光温室的栽培中，常出现光弱、CO2浓度低的环境情况，导致番茄单果小、果实着色差、风味淡、VC和番茄红素等营养物质含量低、挥发性芳香物质含量低等现象[2]，极大地降低了番茄的产量和品质。因此，秋冬季日光温室中弱光和低浓度CO2环境是影响我国设施番茄果实品质特性的关键因素之一。

LED作为新型节能冷光源，目前在蔬菜作物生产中得到越来越多的重视，尤其在植物工厂中具有广泛应用[3-5]。由于红光与蓝光的光谱能量分布与叶绿素吸收光谱一致，所以红、蓝光LED组合可以通过增加净光合速率促进植物的生长和发育，从而提高番茄果实的品质[6]。CO2作为植物光合作用的原料，它的亏缺直接影响植物光合产物的合成及转化，对植物生长发育、开花结果以及果实营养物质的合成和积累具有重要作用[7-9]。因此，研究日光温室中增施CO2和LED补光对番茄产量、品质的影响意义重大。

本研究旨在通过LED补光与增施CO2，研究其对番茄主要品质性状及挥发性芳香物质成分和含量的影响，探讨通过利用LED补光与增施CO2提高我国西北地区日光温室秋冬季番茄果实品质的可行性，为实际生产中提高番茄产量及品质提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

本实验选用当地主栽品种‘金棚1号’，由杨凌农城种业有限公司提供。

番茄红素 美国Sigma公司；3-壬酮（色谱纯）上海迈瑞尔公司；无水氯化钠（分析纯） 广东光华科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

液态CO2气瓶 杨凌秦虹气体有限公司；LED灯（额定功率72 W，红光波长610～720 nm、蓝光波长400～500 nm，光质比2∶1） 陕西麟字半导体照明有限公司；UV-1800型紫外分光光度计、LC-20A高效液相色谱 日本岛津公司；YQ-Z-48A颜色测定仪、GY-1硬度计、PAL-1迷你数显折射计 日本Atago公司；Talboys恒温磁力搅拌器 美国Troemner公司；ISQ气相色谱-质谱联用仪（gas chrmatograph-mass spectrometry，GC-MS） 美国Thermo Fisher Scientific公司；HP-INNOWAX弹性石英毛细管柱（30 m×0.25 mm，0.25 μm） 美国Waters公司；手动进样手柄、75 μm固相微萃取（solid phase micro extraction，SPME）头 美国Supelco公司。

1.3 方法

实验于2015年9月至2016年2月在陕西杨凌西北农林科技大学北校区园艺场日光温室里进行。实验采用基质袋培，双行栽培，大行距为70 cm，小行距40 cm，株距30 cm，每个栽培袋种3 株番茄。日光温室从东到西共分为3 个隔间，共设3 个CO2浓度水平：C1为（400±50）μL/L（自然空气水平）；C2为（800±50）μL/L；C3为（1 200±50）μL/L。采用液态CO2气瓶，每天8∶00～11∶00补充CO2，其余时间不补充，施用时关闭温室。使用高精度CO2传感器监测温室CO2浓度，结合电磁阀和流量计实时控制CO2气瓶的开闭和流速，使各隔间的CO2的浓度达到设定值。每个隔间分为2 个光照水平：L1为自然光照（100～600 μmol/（m2·s））；L2为自然光照+LED补光（100 μmol/（m2·s）），每天7∶00～9∶00和17∶00～19∶00进行补光。光气交互共6 个处理，各处理组合见表1，每个处理定植30 株番茄，3 次重复。按照实验设计进行处理，水肥按常规统一浇灌，其他管理措施同常规栽培，在花后第80天，采摘红熟的番茄带回实验室，置于4 ℃条件下待测。

表1 处理号及所对应的光照与CO2水平Table 1 CO2 levels and light conditions

1.3.1 单株产量和单果质量

单株产量：从进入结果期开始，标定25 株，陆续采收，用电子秤称量3 穗果的质量作为单株的产量；单果质量以10 个果实的总质量除以10计。

2.3.3伴栽方法一般用活动菌床法，选择质量符合要求(7～8月培养的直径8～12厘米)的菌材(海拔1 200米以上的松木树培养菌材)运到栽培现场。将栽培场地岩土挖开扫平，垫一层50厘米厚的干净河沙，上面撒一层枯枝，落叶，菌材顺坡排放，间距3厘米，排完后，用砂填平菌材，埋菌材一半时，垫平间隙填砂，将种麻放于菌材两侧的空隙中，每个种麻相隔15厘米，菌材两侧各放一个，最后用砂厚盖，厚度为10厘米，完成栽培，米麻是撒布于菌材间，其他相同。

1.3.2 外观颜色

果实颜色：用YQ-Z-48A颜色测定仪测定，每个处理取10 个果实，测定其赤道部位4 个方向果皮的亮度L*值（值越大，亮度越高）、红色饱和度a*值（值越大，红色越深）和黄色饱和度b*值（值越大，黄色越深）。色饱和度（C）越大，表示越易着色。色度角（H）代表综合颜色指标，从0°到180°依次分为紫红、红、橙、黄、黄绿、绿、蓝绿色，即H＝0，紫红色；H＝90，黄色；H＝180，蓝绿色。C和H的计算分别如式（1）、（2）所示[10]。

1.3.3 风味指标及营养品质

数显折射计测定可溶性固形物含量；果实酸度计测定总酸含量及糖酸比；考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白质含量；钼蓝比色法测定VC含量；根据蔡智鸣[11]、胡晓波[12]等的方法测定番茄红素含量，先用标准品配制梯度浓度的混合标样，制作标准曲线，再用标准曲线法计算各处理组番茄红素的绝对含量；水杨酸比色法测定硝酸盐含量。所有指标均以鲜质量计。

1.3.4 挥发性芳香物质含量的测定

挥发性芳香物质含量参考杨明惠[13]、常培培[14]等的方法测定，略作修改。SPME取样：每个处理分别取成熟期一致、大小均匀的6 个果实，取每个果实1/4的果肉，用液氮研磨仪打碎为粉末，快速称取10 g粉末于40 mL顶空瓶中，同时加入3 g NaCl、5 μL 0.4 μL/mL的3-壬酮标样，封口后置于45 ℃恒温磁力搅拌器上，磁力搅拌速率为300 r/min，平衡10 min，然后顶空SPME吸附30 min，立即插入ISQ GC-MS的汽化室，解吸3 min，进行GC-MS分析。

GC条件：载气为高纯He（99.999%），流速为1.0 mL/min，进样口温度250 ℃，采用不分流进样；升温程序：40 ℃保持3 min，5 ℃/min升至160 ℃，然后以10 ℃/min升温至220 ℃，维持3 min。

番茄挥发性芳香物质含量经过GC-MS分析鉴定，利用数据库NIST 2011进行检索分析生成报告，仅报道正反匹配度均大于800的结果。挥发性芳香物质的定量采用内标法，计算如式（3）所示。

式中：W表示挥发性芳香物质含量/（μg/kg）；A1表示物质峰面积；A2表示内标物峰面积；m1表示内标物质量/μg；m2表示样品质量/g。

1.4 数据分析

采用SPSS 20软件对数据进行方差分析，利用Duncan法进行多重比较及双因素方差分析。P＜0.05表示差异显著，采用Excel 2010软件作图。

2 结果与分析

2.1 增施CO2与LED补光对日光温室番茄单果产量和单果质量的影响

L2C2处理组的单株产量显著高于其他处理组（P＜0.0 5），比对照组（L 1 C 1）高3 4.1%（图1A）。L2C1处理组与对照组没有显著性差异（P＞0.05），而其他处理组显著高于对照组（P＜0.05）。增施CO2对单株产量的影响显著（P＜0.05），而单独的LED补光处理对于增产没有显著作用；但是，若在LED补光条件下，增施CO2可进一步提高产量。只有L2C3处理组与对照组的单果质量有显著性差异（P＜0.05），质量增加33.5%（图1B）。

图1 增施CO2与LED补光对日光温室番茄产量（A）和单果质量（B）的影响Fig. 1 Effect of CO2 enrichment and light supplementation on yield (A)and fruit weight (B) of tomato

2.2 增施CO2与LED补光对日光温室番茄果实外观颜色的影响

表2 增施CO2与LED补光对日光温室番茄果实外观颜色的影响Table 2 Effect of CO2 enrichment and light supplementation on color of tomato fruits

从表2的L*值可以看出，LED补光处理对于番茄果实亮度没有显著影响（P＞0.05），在LED补光的条件下，增施CO2能够显著降低果实的亮度（P＜0.05）。由a*和b*值可以看出LED补光和增施CO2均能提高果实色饱和度，而各处理组的a*值均大于b*值，所以果实偏红色，其中L2C3处理组的番茄果实a*值最大，因此L2C3处理组果实最红。由C值来看，在自然CO2水平下，LED补光有益于番茄果实着色；在自然光照条件下，增施CO2到1 200 μL/L有益于番茄果实着色；L2C3处理组果实的C值最大，最易于着色。由H值来看，番茄果实整体偏红色，且H值越小，综合颜色越红。除L2C1处理组与对照组的综合颜色情况无显著差异，其他处理组果实的颜色均显著比对照组红（P＞0.05），L2C3处理组H值最小，果实综合颜色最红，因此L2C3处理对番茄果实颜色形成效果最好。

2.3 增施CO2与LED补光对日光温室番茄风味品质的影响

番茄果实可溶性固形物含量的变化受增施CO2与LED补光的综合影响，L2C1处理组与L2C3处理组可溶性固形物的含量显著高于对照组与其他处理组（图2A）（P＜0.05）。L2C3处理组的总酸含量也显著高于对照组与其他处理组（P＜0.05）（图2B）；L1C2处理组的糖酸比显著高于对照组与其他处理组（P＜0.05），其他处理组果实的糖酸比与对照组没有显著性差异（图2C）（P＞0.05）。从总体水平来看，番茄果实的口感风味比较平淡，而增施CO2和LED补光能够增加番茄的口感风味。

图2 增施CO2与LED补光对日光温室番茄风味品质的影响Fig. 2 Effect of CO2 enrichment and light supplementation on fl avor quality of tomato fruits

2.4 增施CO2与LED补光对日光温室番茄营养品质的影响

增施CO2与LED补光显著提高了番茄果实可溶性蛋白质的含量，L2C2处理组番茄果实的可溶性蛋白质含量为0.43 mg/g，比对照组提高了1.82 倍（图3A）。增施CO2增加了番茄果实VC的积累，除L1C3、L2C3处理组，其他处理相比于对照组，VC含量均有显著增加，其中L2C2处理组的VC含量为39.49 mg/100 g，显著高于对照组18.4%（P＜0.05）（图3B）。所有处理组的番茄红素含量均显著高于对照组（P＜0.05），在增施相同CO2浓度的条件下，除了L2C2处理组，番茄果实番茄红素的含量随LED补光而显著增加，在LED补光的条件下，果实番茄红素的含量随增施CO2浓度的升高而升高（图3C）。L1C2处理组的番茄红素含量最高，为216.8 μg/g，比对照组高76.98%，L2C3处理组的番茄红素含量次之，为208.9 μg/g，比对照组高70.53%。LED补光与增施CO2还显著降低了番茄果实中硝酸盐的含量，在增施相同CO2浓度的条件下，除了L2C1处理组显著低于对照组外，LED补光对各处理组硝酸盐的含量的影响不显著；在相同光照条件下，除了L2C2处理组外，果实硝酸盐的含量均随增施CO2浓度的增加而降低；L2C3处理组的硝酸盐含量最低，为1.84 μg/g，比对照组低42.68%（图3D）。

图3 增施CO2与LED补光对日光温室番茄营养品质的影响Fig. 3 Effect of CO2 enrichment and light supplementation on nutritional quality of tomato fruits

2.5 增施CO2与LED补光对温室番茄挥发性芳香物质的影响

表3 增施CO2与LED补光条件下日光温室番茄芳香物质成分分析Table 3 Comparison of aroma components in tomato fruits under CO2 enrichment and light supplementation

续表3

表4 增施CO2和LED补光条件下的日光温室番茄果实各类挥发性物质含量和相对含量Table 4 Quanti fi cation of volatile components in tomato fruits under CO2 enrichment and light supplementation

利用GC-MS仪共检测出63 种挥发性芳香物质，各处理挥发性芳香物质的总含量均高于对照组，各处理组挥发性芳香物质含量差异较大，种类也不同（表3、4）。对照组挥发性物质含量最少，种类也最少，有36 种；L2C3处理组的总挥发性物质含量最高，挥发性物质的种类也最多，为47 种。按照挥发性物质种类划分，可分为酮类、醛类、醇类、酯类、烃类[15]，本实验所有处理组的番茄中，均是醛类的相对含量最高，约占总挥发性物质成分的75%；酮类和酯类次之，约为7%，烃类和醇类最低，约3%（表4）。番茄的特征挥发性芳香物质主要有1-戊烯-酮、6-甲基-5-庚烯-2-酮、β-紫罗兰酮、己醛、3-甲基-丁醛、3-己烯醛、水杨酸甲酯、3-甲基丁醇等。与番茄风味、整体满意度、腐败味等相关联的6-甲基-5-庚烯-2-酮在L2C2、L2C3处理组中的含量高于对照组及单独LED补光处理组（L2C1）和增施CO2处理组（L1C2、L1C3），且比对照组高1.87 倍和1.79 倍；与番茄酸味相关的β-紫罗兰酮的含量在L2C3处理组中含量最高，比对照组高2.33 倍，分别为单独LED补光处理组L2C1和L1C3的2.25 倍和2.86 倍；与番茄甜味相关的己醛含量在LED补光处理组及增施CO2的处理组中均高于对照组，其中L2C2处理组的含量最高，且比对照组高62.1%。以上结果表明LED补光与增施CO2均有利于提高番茄特征挥发性芳香物质的含量。

3 讨 论

本实验研究了秋冬季日光温室里进行LED补光与增施CO2对番茄产量、品质及挥发性芳香物质含量的影响。番茄产量受CO2浓度的显著影响，CO2可以促进番茄等果菜类蔬菜的花芽分化，降低雌花节位，提高坐果率，加快果实生长速度，增加产量[9,16]。本实验中LED补光对其产量没有显著的影响，这与郝东川等[17]的研究结果不一致。但在LED补光的条件下，增施CO2能进一步提高产量，这可能是增施CO2与LED补光互相作用的结果，以后的研究中，应该对LED补光的参数进行筛选，以更进一步提高秋冬季日光温室番茄的产量。番茄的色泽是影响人们选购番茄的一项重要指标，着色均匀、鲜红是消费者挑选的重要评判标准[18]。本研究发现，LED补光处理使番茄果实易于着红色，LED补光和增施CO2均能显著提高果实色饱和度，从而提高了商品性。番茄果实的色泽与番茄色素的种类及含量相关，大部分的研究表明，番茄红素含量越高，番茄果实色泽越鲜红[19]。而番茄果实中番茄红素的积累又是由于光诱导调节果实中的光敏色素积累而导致的，主要与红光关系紧密[20]。

番茄果实的口感风味主要由糖度和酸度决定，一般用可溶性固形物含量、总酸含量、糖酸比等指标来衡量[21-23]。本研究发现，秋冬季温室番茄的风味比较平淡，而增施CO2与LED补光能提高番茄的可溶性固形物和总酸含量及糖酸比。有研究表明，光质对植物果实可溶性糖的含量具有重要的影响[23-24]，可能是由于光质的改变诱导了光敏色素对蔗糖代谢酶的调控，促进了与蔗糖代谢相关的酶活性的提高，使光合产物更多地分配到番茄果实中[25-26]。

可溶性蛋白质、VC以及番茄红素的含量是衡量番茄营养品质的重要指标。番茄红素在番茄中含量较高，其作为天然抗氧化物质，在清除人体自由基、预防癌症及抗衰老和抗心血管疾病方面具有突出的保健功能[27]。另外，蔬菜中容易富集硝酸盐，而过量的硝酸盐会严重地损害人的健康；所以，蔬菜中硝酸盐含量也是评价蔬菜品质的一项重要指标[28]。本研究中LED补光与增施CO2显著提高了可溶性蛋白质、VC、番茄红素的含量，并显著降低了硝酸盐的含量。于承艳等[29]的研究结果表明，增施CO2或增加光照均能有效降低蔬菜中硝酸盐的含量，与本实验研究结果一致。硝酸盐含量降低主要有两方面的原因：首先CO2浓度的提高促进了植物生长，生物量的增大对硝酸盐产生了稀释作用；其次光合作用有利于促进氮的同化与代谢，使得更多的硝酸盐转化成氨基酸[30]。增施CO2通常与作物的碳水化合物、酶的代谢合成有关[31]。而LED的红蓝光质又参与光敏色素受体的调控及有关酶的活性调节，从而影响到了番茄果实中可溶性蛋白质、VC和番茄红素的含量[32]。

番茄果实中独特的芳香气味是由特定的挥发性芳香物质的混合物形成。在番茄中，已经报道了超过400 种的挥发性芳香物质[15]，但是只有20 种物质影响番茄果实的挥发性芳香气味[33-34]。Baldwin等[33]认为番茄中有16 种特征性的香气组分物质，包括顺-3-己烯醛、β-紫罗兰酮、己醛、β-大马酮、1-戊烯-3-酮、2,3-甲基丁醛、反-2-己烯醛、2-异丁基硫咪唑、1-硝基-2-乙基苯、反-2-庚烯醛、苯乙醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、顺-3-己烯醇、2-苯基乙醇、3-甲基丁醇和甲基水杨酸。本研究中共鉴定出10 种番茄的特征挥发性芳香物质，包括顺-3-己烯醛、β-紫罗兰酮、己醛、1-戊烯-3-酮、2,3-甲基丁醛、反-2-己烯醛、反-2-庚烯醛、6-甲基-5-庚烯-2-酮、顺-3-己烯醇和3-甲基丁醇，这可能与品种及栽培环境有关[35]。增施CO2与LED补光明显地提高了番茄特征挥发性芳香物质的含量，使番茄果实香味浓郁丰富，这可能是因为补光和增施CO2增加了芳香物质合成的前体物质如脂肪酸、氨基酸、类胡萝卜素的积累[36]。

综上，增施CO2与LED补光能显著提高番茄的单株产量，使果实颜色鲜艳；改善果实的风味品质和营养品质；提高番茄特征挥发性芳香物质的含量。增施CO2对番茄的产量影响更大；LED补光更多地影响番茄果实颜色和番茄红素、VC、可溶性糖含量等指标；挥发性芳香物质含量受LED补光与增施CO2互作的影响。综合考虑番茄果实的各项品质指标，得出提高番茄品质最优处理为LED补光+增施CO21 200 μL/L。

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Effect of CO2Enrichment and LED Light Supplementation on the Quality and Volatile Compounds of Tomato Fruits

YUE Dingyi, ZHANG Jing, ZHAO Jiantao, ZOU Zhirong*
(College of Horticulture, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)

This study investigated the effect of adding different concentrations of CO2and LED light supplementation in the greenhouse during autumn and winter on the quality and volatile components of tomato fruits from the ‘Jinpeng No. 1’ cultivar.Results indicated that treatment with 1 200 μL/L CO2+ LED supplementation signif i cantly improved the soluble solid, total acid and soluble protein contents in tomato fruits, and the fruit weight, and also increased the lycopene content and fruit coloration while signif i cantly reducing the content of nitrate nitrogen in fruits. Headspace solid phase extraction and gas chromatographymass spectrometry were used to analyze the volatile components of tomato fruits under different treatments. Results showed that CO2enrichment and LED light supplementation increased the contents such as 6-methyl-5-hepten-2-ketone, β-ionone and hexanal in tomato fruits and types of characteristic compounds, making the fruity aroma stronger and richer.

CO2enrichment; LED light supplementation; tomato; quality; volatiles

10.7506/spkx1002-6630-201801019

S641.2

A

1002-6630（2018）01-0124-07

岳钉伊, 张静, 赵建涛, 等. 增施CO2与LED补光对番茄果实品质及挥发性物质的影响[J]. 食品科学, 2018, 39(1):124-130.

10.7506/spkx1002-6630-201801019. http://www.spkx.net.cn

YUE Dingyi, ZHANG Jing, ZHAO Jiantao, et al. Effect of CO2enrichment and LED light supplementation on the quality and volatile compounds of tomato fruits[J]. Food Science, 2018, 39(1): 124-130. (in Chinese with English abstract)

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201801019. http://www.spkx.net.cn

2016-10-14

陕西省农业科技创新与攻关项目（2016NY-165）；山西省煤基重点科技攻关项目（FT201402）

岳钉伊（1991—），女，硕士研究生，研究方向为温室环境调控与作物生长。E-mail：18700944926@163.com

*通信作者简介：邹志荣（1956—），男，教授，博士，研究方向为温室环境和温室作物栽培。E-mail：zouzhirong2005@hotmail.com