氮素运筹对甜瓜芳香物质的影响

张 浩,刘 熠,周 勃,黄 远,符小发,马 跃,吴海波,胡国智,毛建才,陈积豪, 梁其干,王 敏

(1.新疆农业科学院海南三亚农作物育种试验中心,海南三亚 572000;2.三亚明珠甜瓜西瓜展示评价研究中心,海南三亚 572000;3.华中农业大学,武汉 430070;4.中国农业科学院郑州果树研究所,郑州 450000;5.新疆农业科学院哈密瓜研究中心,乌鲁木齐 830091;6.海南省农业科学院蔬菜研究所,海口 570100)

0 引 言

【研究背景】甜瓜(CucumismelonL.)品质的关注度愈来愈高[1]。芳香物质是果实在生长发育过程中经过一系列酶促反应而形成的次级代谢混合物,是评价甜瓜品质的重要指标[2-4]。【前人研究进展】目前从甜瓜分离鉴定出240多种芳香物质[5-11],其中特征香气是由乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙酸异丁酯、2-甲基丁酸乙酯、乙酸己酯、乙酸甲酯、甲硫基丁酸甲酯、反-2,6-壬二烯醛、顺-4-壬烯醛、反- 6-壬烯醛和乙醇等决定的[12]。1-壬醇、顺-3-壬烯-1-醇、3,6-亚壬基-1-醇、反-6-壬烯醛在甜瓜品种黄梦脆中含量较高[13]。酯类、醇类、酸类、醛类和呋喃(酮)在金皇后等主要存在于厚皮甜瓜,其中酯类对厚皮甜瓜的香气起关键作用[14]。厚皮甜瓜银帝的挥发性风味成分主要包括乙酸乙酯、丙酸-2-丁烯酯、羟氨基甲酸乙酯、丁酸甲酯乙酯和2-甲基丁酸乙酯等酯类[15]。宛晓春等[16]认为3,6-壬二烯醇、6-壬烯醇、苯甲醇、2-戊基呋喃等呋喃类物质是甜瓜风味的主体成分,对甜瓜的风味起着重要作用。乙酸-2-甲基丁酯在玉美人、龙甜雪冠、创新1号、Elizabeth等[17]4个甜瓜品种中含量均很高,其对甜瓜香气的贡献率较大。【本研究切入点】前人主要对不同品种的甜瓜风味物质进行了相关研究,但不同施肥方式对甜瓜风味物质的影响报道较少。氮作为植物必需的矿质元素,可影响植株各种酶活性进而影响芳香物质的合成[18]。施用氮素水平过高,甜瓜生长旺盛,果实迅速膨大,可能导致甜瓜体内的营养失调,从而影响甜瓜特征芳香物质的积累[19]。在甜瓜生产管理中尚存在化肥科学施用问题[20-21]。【拟解决的关键问题】以甜瓜品种黄梦脆为材料,研究不同氮肥用量对成熟期甜瓜风味品质的影响,分析氮素运筹下甜瓜果实芳香物质变化规律,为提高甜瓜风味品质的技术措施提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于海南省三亚市新疆农业科学院三亚农作物育种试验中心,选择海南主栽甜瓜品种黄梦脆。试验地为改良的沙壤土,土壤有机质3.85 g/kg,碱解氮228.0 mg/kg,速效磷380.2 mg/kg,速效钾135 mg/kg,土壤pH 6.94。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

设置7个处理,N0(不施氮)、N1(低氮)、N2(中氮量)、N3(高氮量)、CK(不施肥)、M(有机肥)。 每个处理重复3次。采用膜下滴灌栽培,1膜1行,吊蔓栽培,单蔓整枝,各株主蔓8～12节留1个瓜,第25节打顶。株行距0.5 m×1.2 m。2018年10月23日播种;2019年1月8日采收。2018年11月17日第1次施肥,甜瓜在整个时期每隔7 d随水滴施,用氮肥作追肥,共施7次,2018年12月29日第7次施肥结束。施氮肥用尿素(46%N),磷钾肥用磷酸二氢钾(4%K2O3,52%P2O5)和过磷酸钙(12%P2O5)。各施肥处理种植2行,按种植行随机排列,重复3次。N0、N1、N2、N3处理每次施用过磷酸钙 47.5 kg/hm2,磷酸二氢钾60 kg/hm2。N1、N2、N3每次施用氮肥分别为49.56、62.17、74.34 kg/hm2。果期定果,每株1果,收获时测产,计算单果重。表1

1.2.2 测定指标

芳香物质测定采用固相微萃取技术(HS-SPME)进行样品萃取:果实去皮,果肉切块混匀后于榨汁机中榨汁,吸取混匀果汁8 g置于15 mL顶空瓶中,加入2 g NaCl使挥发性成分充分逸出,加盖封口,将老化后的75 μm的DVB/CAR/PDMS萃取头插入样品瓶顶空部分,于40℃吸附40 min,将吸附后的萃取头取出后插入气相色谱进样口,于250℃ 解吸3 min,同时启动仪器采集数据。GC-MS分析条件: 用美国安捷伦公司气相色谱质谱联用仪(HP7890B-GCMS5977) 测定分析。色谱条件:色谱柱,HP-INNOWAX型弹性石英毛细管柱60 m×0．25 mm× 0．25 μm,程序性升温,进样口温度 250℃ ,起始温度40℃,保留1 min,以 3℃/min升至246℃ ,保留3 min,载气为高纯氦气,不分流;恒流1 ml/min,检测器温度200℃。质谱条件:GC-MS接口温度250℃,电离方式为电子冲击(EI),电子能量70 eV,离子源温度 200℃ ,质量范围29～600 amu。各组分经计算机NIST14谱库检索、保留指数比对、质谱图比对分析并通过面积归一化法计算。

表1 各处理施肥量

1.2.3 果实品质性状

果实肉厚和果实外形用游标卡尺测量,可溶性固形物用手持测糖仪测定,含水量采用烘干法测定[21]。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel和 SPSS 18.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施氮处理对甜瓜芳香物质成分的鉴定

研究表明,共检测出346 种芳香物质,包括醇类、醛类、酯类、酮和醚类、烃类、芳环和杂环类、酸类。芳香物质主要含有正辛醇、反-6-壬烯-1-醇、顺-6-壬烯-1-醇反-6-壬烯醛、3-脲基乙酸、硫代特戊酸、(+/-)-β-羟基-γ-丁内酯、乙酸乙酯、对二甲苯、乙酰肼等。甜瓜不同氮素施肥方式差异显著。中氮(N1)处理芳香物质成分种类最多,共检测出167种,包括41种醇、23种醛、57种酯、10种酮和醚、10种烃、26种芳环和杂环,有机肥(M)和不施氮(N0)处理所检测出香气物质较少分别为 136 种和 138 种香气成分,其他 2 个处理分别检测出香气物质种类为: 148种(N2)和151种(N3)。

6个施肥处理共有的芳香物质为 25种,醇17种(4-羟基-2-丁酮、苯乙醇、苯甲醇、正庚醇、正辛醇等),醛10种(正辛醛、壬醛、反-2-壬醛、反-4-壬烯醛、反-6-壬烯醛等),酯12种(乙酸乙酯、花生四烯酸甲酯等),酮和醚6种(6-甲基-5-庚烯、10-二甲基-5,9-十一双烯-2-酮、异佛尔酮),烷2种(1-氯己烷、1,5,5-三甲基-5-亚甲基-6-环己烯),芳环杂环6种(对二甲苯、2,5-二甲氧基甲苯、2,4-二叔丁基苯酚、2,5-二叔丁基-1,4-苯醌、萘等),其他2种(羟基脲、亚麻酰氯)。

特有芳香物质低氮(N1)12种,主要包括: 环癸醇、3,5-二甲基环己醇、顺-2-甲基环己醇、10-十八醛、(Z)-2-壬烯醛等。高氮(N3)主要有α-松油醇、正己醇、2,4-二甲基-3-戊醇、5-甲基-1-己炔-3-醇、2,4-二甲基环己醇、反-2-十二烯醛等。不施氮有9种,主要有顺-3-壬烯-1-醇、β-紫罗兰醇、2-甲硫基乙醇、(-)-补身醇等。有机肥(M)有4种,主要异戊醇、人参环氧炔醇等。中氮(N2)有2种。不施肥(CK)有8种4-[(1-乙基丙基)氨基]-2-甲基-3,5-二硝基苯甲醇、十二烷基七聚乙二醇醚、2-甲基-1-十六烷醇、3,7-二甲基-6-辛烯-1-醇、13-十七炔-1-醇、柏木脑、2-十一烯醛等。表2

2.2 不同施氮处理对甜瓜芳香物质含量的影响

研究表明,分为3组:CK-N0无氮对照-平衡磷钾;N0-N1-N2-N3氮渐增小组;M-N2-(CK) 有机氮-平衡氮小组。在各个小组中,不施氮(N0)的醇、酸类含量均高于CK,而酯、酮和醚、烃、芳环和杂环类低于CK。M醛、酮和醚类物质相对百分比增加,而醇、酸、烃、芳环和杂环类则相对较低。N0-N1-N2-N3对比醇、烃、芳环和杂环都分别出现高峰:醇-N1、烃-N2、芳环和杂环-N2,酸、酮和醚都分别出现低谷值,分别是醛-N1、酸-N3、酮和醚-N2。平衡磷钾处理有6种相对含量超过5%的物质:正辛醇(11.37%)、顺-6-壬烯醛(8.79%)、反-6-壬烯-1-醇(7.29%)、反-2-,顺-6-壬二烯醛(6.69%)、1-壬醇(6.51%)、反-6-壬烯醛(6.29%),这些含量较多的芳香物质大部分属于醇和醛,小部分属于酯,其余物质均低于5%。平衡氮处理中平均含量排列大于5%的物质为:正辛醇(11.72%)、反-2-,顺-6-壬二烯醛(8.75%)、顺-6-壬烯醛(8.18%)、反-6-壬烯醛(7.22%)、反-6-壬烯-1-醇(6.79%)、反-2-壬醛(6.35%),含量较多的芳香物质物质大部分属于醛,小部分属于醇,其余物质均低于5%。有机肥处理的正辛醇(14.26%)、反-6-壬烯醛(12.69%)、反-6-壬烯-1-醇(10.92%)、反-2-壬醛(6.93%)、反-2-顺-6-壬二烯醛(6.86%)、壬醛(6.64%)为前6种相对含量较高的物质。在特有芳香物质中,平衡磷钾处理的顺-6-壬烯醛(3.77%)、顺-3-壬烯-1-醇(2.11%)、1-壬醇(2.79%)和有机肥处理的顺-3-壬烯-1-醇(2.11%)等含量相对较高,其他物质相对含量均在1%以下。酯类相对含量由高到低依次为N3、CK、N2、N1、M、N0。醛类含量随着氮素升高而升高,N3最高,N0最低。醇类相对含量由高到低依次为N0、M、N1、N2、N3、CK。烃类、芳环和杂环类N1最高。酮和醚类CK最高,N1最低。醇类、酸类、酯类随着施氮肥处理,差异显著 (P<0．05),其他差异都不显著。N1中乙酸丁酯、乙酸己酯相对含量较高。2-甲基丁酸乙酯只有N3检测到。乙酸乙酯随着施氮量的增加有增加趋势。表3

2.3 不同氮素施肥方式对甜瓜果实特性的影响

研究表明,高氮(N3)的中心可溶性固形物含量最高为15.40%,有机肥(M)处理中心可溶性固形物含量最低,为13.4%,其他中心可溶性固形物含量CK、N0、N1、N2分别为14.67%、15.27%、14.63%、15.07%,各处理间与有机肥(M)差异显著。中氮(N2)处理,单瓜重最高为1.95 kg,不施肥(CK)处理最低为1.74 kg。单瓜重随着施氮量的增加总体呈现先升后降的趋势。各处理含水量均高于90%。各处理含水量都高于90%。果肉含水量高氮(N3)含量最高为93.04%,缺氮(N0)最低为91.71%。果皮厚各处理差异显著,中氮(N2)处理果皮厚最高为1.03 cm,低氮(N1)和CK最低都为0.70 cm。表4

3 讨 论

3.1不同施肥方式引起甜瓜芳香物质的成分、含量的变化,导致共有芳香物质种类含量的差异以及特有特征成分的存在。甜瓜京玉5号在较低氮素处理水平下,芳香物质含量相对较高[19]。含水量在90%以上的哈密瓜,外观、色泽、口感均表现良好[22-24]。甜瓜品种黄皮9818在设施栽培条件下不同氮素处理后酯类和醇类物质所占比重最大,其次为醛类物质,在芳香物质种类上,不施氮和不施肥处理所检出芳香物质最少[25]。厚皮甜瓜中蜜5号施钾肥量不足或施钾量过多,芳香物质的含量均有所降低,特征香气含量随钾肥施用量的增加而呈现先增加后降低的趋势[26]。试验在不同氮素水平处理后直接影响了甜瓜成熟期芳香物质种类和含量的变化。中氮(N1)处理甜瓜特征芳香物质乙酸丁酯、乙酸己酯相对含量最高,芳香物质种类最多,有167种,有机肥(M)和不施氮(N0)处理所检测出香气物质最少分别为136种和138种香气,低氮有利于甜瓜黄梦脆芳香物质种类的增多和特征芳香物质含量的积累。各处理醇类、醛类相对含量最高,酯类次之,与前人研究甜瓜中醇类、醛类、酯类是主要的香气成分观点相似[12,23]。

3.2不施氮(N0)的处理中的特有芳香物质为:顺-6-壬烯醛、1-壬醇、顺-3-壬烯-1-醇、2-甲硫基乙醇、3-脲基乙酸等物质。有机肥处理的特有芳香物质为:顺-3-壬烯-1-醇、2-甲硫基乙醇、3,5-二甲基-1-己烯、1-辛烯-3-炔、β-紫罗兰醇等物质。这些醇类物质带有较强的花香感觉,能给感官的评价带来一些提升,且β-紫罗兰醇只在施用了有机肥的处理中出现,故此类物质也可作为有机肥施用的特征物质。在有机肥处理的小组中观察到了一些平衡氮处理检测不到的特征芳香物质。这些物质相对含量相对低,有可能在甜瓜的风味上造成一定影响,如:2-甲硫基乙醇(0.6872%)、3,5-二甲基-1-己烯(0.1667%)、β-紫罗兰醇(0.0041%)。

3.3高浓度氮肥有利于甜瓜营养阶段生长,中等浓度氮肥处理对其产量提高有利,低浓度氮肥处理则能保障甜瓜品质,合理的氮肥施用量才能保证甜瓜产量和品质。[27]。以不同氮肥浓度对甜瓜南海蜜处理,结果发现高氮肥水平对甜瓜产量有抑制作用[28-29]。同一供钾水平下,高氮处理甜瓜单瓜质量显著高于低氮处理[20]。试验中,中氮(N2)处理单瓜重最高,低氮和高氮均不利于单瓜重的提高。而高氮(N3)处理中心可溶性固形物含量最高,芳香物质的种类和含量也随施肥不同而变化,最终影响甜瓜品质和产量。

4 结 论

共检出346 种芳香物质。低氮(N1)处理芳香物质成分最为丰富,有167 种,其中酯类57种、醇41种 、醛23种;有机肥(M)和不施氮(N0)处理所检测出香气物质较少分别为 136种 、 138 种;各处理中醇类、醛类含量最高,酯类次之;高氮(N3)处理酯类含量最高,N0处理酯类最低;随着氮素水平增加而出现的芳香物质有:丁酸乙酯、丙酸乙酯、2-甲基丁酸乙酯、2-Butyn-1-one、1-cyclohexyl-4、4-diethoxy-、(E)-non-6-en-1-ol等;6 个施肥处理共有的芳香物质为 25种,主要为醇类、醛类和酯类;在特有芳香物质方面,低氮(N1)最多有12种;特征芳香物质乙酸乙酯随着施氮量的增加有增加趋势,乙酸甲酯施氮量的增加有先升后降的趋势;高氮(N3)处理中心可溶性固形物含量最高,有机肥(M)处理中心可溶性固形物含量最低;中氮(N2)处理单瓜重最高,CK最低;在不同氮素水平条件下,引起甜瓜芳香物质的成分、含量的变化,导致共有芳香物质种类含量的差异以及特有特征成分的存在;低氮(N1)处理有利于提高芳香物质的种类和甜瓜特征芳香物质乙酸丁酯、乙酸己酯的相对含量;合理的氮肥施用量才能保证甜瓜产量和品质,中氮(N2)处理对其单果重提高有利,且单瓜重随着施氮量的增加呈现先升后降的趋势。