光质对番茄果实品质及挥发性物质的影响

杨俊伟，梁婷婷，严露露，张珂嘉，习林杰，邹志荣,*

（1.西北农林科技大学园艺学院，陕西 杨凌 712100；2.农业农村部西北设施园艺工程重点实验室，陕西 杨凌 712100；3.西北农林科技大学植物保护学院，陕西 杨凌 712100）

番茄（Solanum lycopersicum L.）含有丰富的营养物质和矿物质，如VC、磷、钾和钠等，同时还含有大量的番茄红素、柠檬酸和苹果酸等，具有抗癌[1-2]和促进消化的功能[3]，可以满足人体的需要以及人们对食品保健功能的追求[4-5]，因而深受大众的喜爱。随着日光温室、植物工厂等设施和栽培技术的发展，番茄的周年供应得以实现，但这也导致了番茄风味的季节性变化[6-9]，使得番茄品质得不到保证。国内外研究表明，番茄果实的营养及风味受土壤环境[10]、水肥条件[11]、种植密度[12]等多种因素调控，也有研究表明光质也会影响番茄果实的品质与风味[13-14]。随着半导体技术的快速发展，发光二极管（light emitting diode，LED）在设施栽培中的应用越来越广泛，尤其是在植物工厂中[15]，人们可以根据生产需要调制出不同光质。由于叶绿素的吸收光谱与红蓝光的光谱基本一致，因此通过对红蓝光比例的调控可以影响番茄幼苗的生长[16]。

国内外对不同光质对番茄果实影响有所报道，但是鲜有对不同比例红蓝光对番茄果实影响的研究。因此，本实验旨在通过给番茄提供不同比例的红蓝光，研究其对番茄果实主要的营养物质及挥发性物质的影响，探讨利用合适比例的红蓝光提高番茄的营养品质及风味，为设施生产中提高番茄的营养品质及风味提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

本实验选用当地主栽品种‘金棚朝冠’，由陕西杨陵金棚种业有限公司提供。

1.2 仪器与设备

UV-1800紫外-可见分光光度计 日本岛津公司；手动固相微萃取进样器、75 μm Carboxen/PDMS手动萃取头 美国Supelco公司；ISQ气相色谱-质谱联用仪美国Thermo Fisher公司；恒温磁力搅拌器 美国Troemner公司；植物生长箱 陕西旭田光电农业科技有限公司；KG316T时控开关 浙江正泰电器股份有限公司；LED 西安麟字半导体照明有限公司；PAL-BX/ACID F5糖酸一体机 日本Atago公司。

1.3 方法

1.3.1 实验设计与分组

番茄种子经温汤浸种后，催芽。待种子发芽后，设置光周期12 h/12 h，温度25 ℃/20 ℃，相对湿度65%～75%，光照强度为100 μmol/（m2·s），待幼苗长至两叶一心时，选取长势一致的植株并移栽至12号植物生长箱内的营养钵（5 cm×5 cm）中。以V（草炭）∶V（珍珠岩）∶V（蛭石）=3∶1∶1为栽培基质，采取潮汐式营养液灌溉模式，营养液采取0.5 倍山崎番茄营养液配方。利用KG316T时控开关精准控制光周期（昼∶夜=14 h∶10 h），通过控制LED灯打开数量和LED灯板到番茄冠层高度使到达番茄叶冠层的光照强度达到（200±10）μmol/（m2·s）、温度25 ℃/20 ℃（昼/夜），相对湿度65%～75%。实验采用不同比例的红（400～500 nm）、蓝（600～700 nm）单色LED灯珠数量的组合，组成6 个不同光质处理，分别为白光（W）、红光（R）、红光∶蓝光=1∶2（1R2B）、红光∶蓝光=1∶1（1R1B）、红光∶蓝光=2∶1（2R1B）、蓝光（B），不同处理的波谱分布如图1所示，在距离灯正下方20 cm处测定不同光质的波谱。

待番茄果实成熟后，每个处理选取6 株长势一致的植株，每株在第3穗果选取大小一致的果实进行各项指标测定。

图1 不同处理组的光谱分布Fig. 1 Spectral distribution of different treatments

1.3.2 番茄单果质量和营养物质的测定

单果质量：待果实成熟后，选长势一致的植株6 株，每株在第3穗果选取成熟度一致的果实，总共6 个，测定其质量，求其平均值。

可溶性固形物含量、可滴定酸质量分数和糖酸比用PAL-BX/ACID F5糖酸一体机测定；可溶性蛋白含量用考马斯亮蓝G-250法测定；可溶性糖质量分数采用蒽酮比色法测定；抗坏血酸含量用钼蓝比色法测定；根据胡晓波等[17]的方法测定番茄红素的含量。

1.3.3 固相微萃取取样和工作条件

固相微萃取取样和工作条件的设定参考常培培[18]和岳钉伊[19]等的方法，并稍作修改。

分别在不同处理条件下取成熟度一致的6 个番茄果实，切取其1/8，混合，用液氮研磨仪打成粉末状，-80 ℃保存备用。待测量时快速准确称取5 g样品于40 mL顶空瓶中，并加入10 μL 0.04 μL/mL的内标（3-壬酮），同时加入NaCl 1.00 g和转子1 个，封口。将顶空瓶置于50 ℃恒温磁力搅拌器上，磁力搅拌速率为200 r/min，平衡10 min，然后顶空固相微萃取吸附40 min，上机，将萃取头立即插入色谱气化室，解吸2.5 min，拔萃取头，进行气相色谱-质谱分析。每个处理进行3 个生物学重复，求其平均值。

色谱条件：载气为高纯氦气（99.999%），流速：1.0 mL/min；色谱柱：HP-INNOWax毛细管色谱柱，柱长60 m，内径0.25 mm，液膜厚度0.25 μm；进样口温度：220 ℃；进样方式：不分流进样；柱温：采用程序升温，起始温度40 ℃，保持3 min；先以5 ℃/min升温至150 ℃，再以10 ℃/min升至220 ℃，保持10 min。

质谱条件：电子电离（电子轰击电离源）；电子轰击能量：70 eV；离子源温度：220 ℃；传输线温度：220 ℃；开始采集时间：2.0 min；定量方法：内标法；质量范围：m/z 35～400。

1.3.4 挥发性物质定量分析

果实中萃取出的挥发性物质经气相色谱-质谱分析，各色谱峰经计算机检索NIST 2014标准质谱图库，辅以人工分析对应的化合物进行定性鉴定，仅报道正反匹配度大于800的挥发性物质。利用标准品对果实中萃取出来的挥发性物质进行定量分析。各挥发性成分含量按下式计算。

1.4 数据处理与分析

采用SPSS 20软件对数据进行方差分析，利用Duncan’s法进行多重比较方差分析，P＜0.05表示差异显著，采用Excel软件作图。利用R语言对不同处理下的番茄的芳香类物质进行聚类分析并绘图。

2 结果与分析

2.1 不同光质处理对植物工厂内番茄单果质量的影响

图2 不同比例红蓝光处理对植物工厂内番茄单果质量的影响Fig. 2 Effects of different ratios of red to blue light on individual fruit mass in plant factories

单果质量是衡量外界调控因子处理对植株生长影响的重要指标之一。由图2可知，2R1B处理显著提高了番茄的单果质量（P＜0.05），为143.58 g，比W处理下单果质量提高56.03%；B处理下单果质量最小，仅为81.70 g；R、1R1B和1R2B处理之间无显著性差异。可见不同光质处理对植物工厂内番茄单果质量具有显著的影响。

2.2 不同光质处理对植物工厂内番茄可溶性固形物含量、可滴定酸质量分数和糖酸比的影响

不同光质对植物工厂内番茄风味品质影响显著。由图3A可得，可溶性固形物含量在R处理下最高，达到5.90 °Brix，显著高于其他处理；2R1B和1R1B次之，1R2B处理下可溶性固形物含量最低，仅为4.77 °Brix，显著低于其他处理，但和B处理无显著性差异。同时，番茄可滴定酸质量分数在W处理下最高，为0.65%，但与R和2R1B之间无显著性差异；1R2B处理下可滴定酸质量分数最低，为0.57%，显著低于其他处理（图3B）。R处理下番茄果实的糖酸比最高，与2R1B和1R1B之间无显著性差异，但显著高于其他处理；B处理下糖酸比最低，为7.48（图3C）。

图3 不同比例红蓝光处理对植物工厂内番茄风味品质的影响Fig. 3 Effects of different ratios of red to blue light on tomato flavor quality in plant factories

2.3 不同光质处理对植物工厂内番茄可溶性蛋白含量、可溶性糖质量分数、抗坏血酸和番茄红素含量的影响

图4 不同比例红蓝光处理对植物工厂内番茄营养品质的影响Fig. 4 Effects of different ratios of red to blue light on tomato nutritional quality in plant factories

不同光质处理对植物工厂内番茄营养品质影响显著。由图4A可知，2R1B处理下番茄果实的可溶性蛋白含量最高，达到1.48 mg/g，和1R1B处理无显著性差异，但显著高于其他处理；R处理下可溶性蛋白含量最低，仅为1.15 mg/g，和1R2B和B处理无显著性差异。由图4B可知，2R1B、1R1B和W处理下番茄果实的可溶性糖质量分数较高，R处理次之，1R2B和B处理下可溶性糖质量分数较低；同时，2R1B处理下番茄果实的抗坏血酸含量最高，达到73.62 mg/100 g，显著高于其他处理，B处理条件下抗坏血酸含量最低，为44.42 mg/100 g，与R和1R1B无显著性差异（图4C）。2R1B和1R1B处理下番茄果实的番茄红素含量显著高于其他处理，分别为31.56 mg/100 g和31.89 mg/100 g；W处理下最低，为8.16 mg/100 g，显著低于其他处理（图4D）。

2.4 不同光质处理对植物工厂内番茄挥发性物质的影响

如表1所示，6 个不同光质处理下的番茄果实中共检测出53 种挥发性物质，其中R处理下检测出的种类数最少，为34 种，2R1B、1R1B、1R2B和B较多，为36 种，W处理下检测出35 种。R处理下醛类、酮类、醇类、烃类、酯类和其他挥发性物质分别为20、6、2、0、1 种和5 种；2R1B处理下醛类、酮类、醇类、烃类、酯类和其他挥发性物质分别为18、5、4、0、2 种和7 种；1R1B处理下醛类、酮类、醇类、烃类、酯类和其他挥发性物质分别为18、7、3、1、1 种和6 种；1R2B处理下醛类、酮类、醇类、烃类、酯类和其他挥发性物质分别为17、6、3、1、2 种和7 种；B处理下醛类、酮类、醇类、烃类、酯类和其他挥发性物质分别为15、9、3、2、2 种和5 种；W处理下醛类、酮类、醇类、烃类、酯类和其他挥发性物质分别为17、5、5、0、1 种和7 种。

表1 不同比例红蓝光处理对植物工厂内番茄挥发性物质成分分析Table 1 Comparison of volatiles components in tomato fruit under light quality treatments in plant factories

续表1

表2 不同光质处理下番茄各类挥发性物质含量和相对含量Table 2 Contents and relative contents of volatile substances in tomato fruit under different light quality treatments

由表2可知，不同光质处理对番茄果实各类挥发性物质含量和相对含量影响较大。R处理下番茄果实的挥发性物质最多，其含量达到2 805.82 μg/kg，大约是W处理下的3.4 倍，R和2R1B处理之间无显著差异，但显著高于其他处理。在1R1B和1R2B处理下，其挥发性物质含量接近，分别为1 113.09 μg/kg和1 106.85 μg/kg。R处理下酮类含量显著高于其他处理，其相对含量达到73.76%，其次为醛类，为19.70%，未检测到烃类；2R1B处理下其他物质相对含量为48.54%，其次为醛类，未检测到烃类；1R1B和1R2B处理下醛类相对含量最高，分别达到53.93%和53.06%，其次为酮类，烃类最低，分别为0.33%和0.43%；B处理下醛类的相对含量最高，为73.29%，其次为酮类，酯类最低，为0.54%；W处理下醛类相对含量最高，为47.34%，其次为酮类，未检测到烃类。

2.5 不同光质处理下番茄挥发性物质与主要品质性状的聚类分析

图5 不同光质处理下番茄挥发性物质与主要品质性状的聚类分析Fig. 5 Cluster analysis of volatile compounds and major quality traits in tomato fruit under different light quality treatments

使用R语言对不同处理下番茄主要的品质性状和在6 个处理下均能检测到的25 种挥发性物质进行聚类分析，如图5所示。不同处理聚类分析可得，1R1B和1R2B距离最为接近，同时和W处理构成一个聚类亚群，2R1B、R和B分别单独是一个亚群。对番茄主要品质性状和挥发性物质进行聚类分析可得，番茄红素与水杨酸甲酯在关系上最为接近，并且和1-戊烯-3-酮、β-紫罗兰酮、香叶基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮构成一个聚类亚群；丁子香酚、2-正戊基呋喃、2-甲氧基苯酚、2-异丁基噻唑、3-硝基-4-羟基苯胂酸和己醛关系较近，并与抗坏血酸和可滴定酸构成一个聚类亚群；可溶性蛋白和辛醛比较接近、可溶性固形物和2-己炔-1-醇比较接近，并和可溶性糖聚成一个亚群；柠檬醛、2,4-癸二烯醛、2,6,6-三甲基-1-环己烯-1-羧醛、(Z)-2-壬烯醛、壬醛和(Z)-2-癸醛距离较近，并且与3-甲基-丁醛、(E,E)-2,4-庚二烯醛和芳樟醇等物质构成一个聚类亚群。

3 讨 论

不同比例红蓝光对果实品质发育具有重要作用，番茄中的糖酸比可以直接影响口感[20-21]，而可溶性固形物含量和可滴定酸质量分数的比值决定着糖酸比的大小。有学者认为，红光和3R1B可以显著提高番茄果实可溶性糖质量分数和糖酸比，降低可滴定酸质量分数，蓝光可以显著提高抗坏血酸含量[22]。这与本实验部分结果不一致，本实验中R处理可以显著提高番茄果实可溶性固形物含量，同时，R处理下番茄糖酸比最高，但是和2R1B和1R1B之间无显著性差异，2R1B和1R1B处理可以提高可溶性蛋白含量和可溶性糖质量分数，R处理可以提高抗坏血酸含量，这可能是番茄品种不同所导致[23]。番茄红素是一种功能性天然色素，研究表明红光可以提高番茄红素的含量[24]，同时也有研究发现番茄红素在蓝光处理下含量明显升高[25]，而王丽伟[26]研究发现在番茄转色期和成熟期，3R1B都可以显著提高番茄红素含量，这与本实验发现2R1B和1R1B可以显著提高番茄红素含量基本一致，表明合适比例的红蓝光可以提高番茄果实中的番茄红素含量，推测是番茄品种对不同光质的响应差异造成的，这可能是由红蓝光的互补加性效应所导致[26]。

番茄挥发性物质是决定番茄风味的一个重要因素，其是底物经一系列酶促反应形成不同化合物的过程。近年来国内外对番茄挥发性物质进行了大量研究，在不同番茄品种中总共检测到有400多种挥发性物质[27]，主要包括醛类、酮类、醇类、烃类和酯类等；其中，主要影响番茄果实风味的只有不到30 种挥发性物质[27-29]，而且有学者经研究得出乙酮、乙醛、乙醇、β-紫罗兰酮和(Z)-3-己醇与酸味相关，(Z)-3-己烯醛和涩味关系较密切，(Z)-3-己烯醛、1-戊烯-3-酮与苦味相关[30]，香叶基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮与番茄的甜味相关[20]，在R处理下，与醛类相比，虽然酮类物质的种类较少，但总含量较高，推测可能是香叶基丙酮和6-甲基-5-庚烯-2-酮共同影响番茄甜味，这与Baldwin等[20]研究结果类似。Lewinsohn等[31]发现色素对番茄某些芳香物质也会产生影响，如番茄红素可以产生6-甲基-5庚烯-2-酮、法呢酮、假紫罗（兰）酮、牻牛儿丙酮，而β-胡萝卜素与β-紫罗兰酮、β-环柠檬醛相关，2-正戊基呋喃具有蔬菜香韵，2-异丁基噻唑具有清新绿叶香，己醛具有青草味，(E)-2-辛烯醛具青叶香气，香叶基丙酮具果香、泥土和清香味[32-33]。本研究对在6 个不同光质处理下处理番茄果实中均能检测到的25 种挥发性物质和主要的营养和风味品质聚类分析，发现番茄红素与水杨酸甲酯聚类在一起，丁子香酚、2-正戊基呋喃、2-甲氧基苯酚、2-异丁基噻唑、3-硝基-4-羟基苯胂酸和己醛关系较近，并与抗坏血酸和有机酸构成一个聚类亚群，可溶性固形物和可溶性糖与2-己炔-1-醇比较接近，结果表明部分物质与其前体物质或者前人研究挥发性物质与对应风味没有聚类到一起，有些虽然聚在一个亚群，但是距离较远，如6-甲基-5-庚烯-2-酮与其前体物质番茄红素，这可能是挥发性物质对光质的响应差异影响了与挥发性物质形成有关酶的活性和底物的形成，从而导致挥发性物质的构成与含量的不同[34]；另一方面可能是分析的物质类型较为复杂，使得相应的挥发性物质没有集中在对应的代谢途径中。后续研究要考虑对挥发性物质与特定的代谢途径进行相关性分析。

综合来看，R和2R1B处理可以极大提高挥发性物质的含量，而R、2R1B和1R1B处理能够提高番茄糖酸比，2R1B和1R1B处理可以提高可溶性蛋白和番茄红素含量，挥发性物质和非挥发性物质共同影响着番茄的风味品质。