鉬酸銨對‘千玉6號’甜瓜果實營養品質和揮發性物質的影響

馬雪強，高子星，王君正，屈 鋒，張 佼，胡曉輝

(西北農林科技大學 園藝學院/農業農村部西北設施園藝工程重點實驗室/陜西省設施農業工程技術研究中心，陜西楊凌 712100)

甜瓜(CucumismelonL.)是具有高附加值的世界性水果，隨著生活水平的不斷提高，人們日益關注甜瓜品質[1-2]。甜瓜果實所含維生素C、還原糖、可溶性蛋白質等人體所需要的營養、保健成分對促進人體營養吸收、緩解疲勞起到積極作用；此外，由嗅覺所感知的香氣風味也是判斷甜瓜品質優劣決定性參數之一[3]，甜瓜果實中已被檢出240余種香氣成分[4]；但隨著研究的深入，人們發現各香氣成分之間的閾值(即化合物能被人嗅覺感知的最低濃度)存在顯著差異[5-7]，因此，以往人們僅用單一濃度衡量香氣成分對香氣體系的貢獻度的方法已難以滿足香氣表征需求；而香氣活力值(odor activity value，OAV)從濃度和閾值兩個維度揭示了香氣成分對香氣體系的貢獻，并為表征關鍵香氣成分提供了一種有效技術手段[8]。

果品香氣形成受多種因素影響，除品種、成熟度及貯藏等條件外，微肥處理也會影響果品香氣風味[9]。研究表明，3.8 mg/L硼酸營養液處理下番茄果實果香味更為濃厚、香氣物質更加豐富[10]，而葉面噴施一定濃度硼酸也顯著增加了富士蘋果揮發性物質種類和含量[11]，噴施有機硒后薄皮甜瓜香氣成分和營養品質也有顯著提升[12]。鉬也是生物必需微量元素之一，適當食用含鉬食品對抑制癌細胞增殖、誘導癌細胞凋亡有積極作用，人體缺鉬則會導致機體免疫力水平下降[13-14]；鉬還通過構成硝酸還原酶、固氮酶等酶類參與植物體內氮、碳、嘌呤、激素和硫代謝過程，以此直接影響果實營養物質合成與分解，間接影響芳香物質形成[15-16]。但目前關于鉬對植物揮發性香氣形成的研究多見于煙草、大豆等經濟作物[17-19]，在園藝作物中相關報道還較為缺乏。

因此，本研究在有機基質袋式栽培條件下，以‘千玉6號’薄皮甜瓜為試材，采用化學方法對不同四水合鉬酸銨濃度灌溉營養液處理下的盛果期甜瓜果實的營養品質進行測定，同時借助頂空固相微萃取(headspace solid phase micro-extraction，HS-SPME)與氣相色譜-質譜聯用(gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS)技術對果實香氣物質進行定性和定量分析，并結合OAV分析確立其特征香氣成分，最后采用逼近理想解排序(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)結合主成分分析(principal component analysis，PCA)對甜瓜營養及特征香氣進行綜合評價，以期尋找出適宜的營養液鉬肥濃度，為甜瓜優質生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗栽培所用甜瓜‘千玉6號’為果香型薄皮品種[20]；栽培基質由牛糞、菇渣、珍珠巖(體積比為 2∶4∶3)腐熟發酵而成，其理化性質包括：硝態氮634.02 mg/kg、銨態氮75.5 mg/kg、速效磷 712.00 mg/kg、速效鉀4 388.98 mg/kg、有效鉬0.121 mg/kg、有機質201.47 g/kg、pH 6.5、電導率(EC)2.81 μS/cm、體積質量2.04 cm3/g、氣水比1∶1.63。

1.2 試驗設計

于2019年5月25日選取長勢一致、植株健壯且無病蟲害的3葉1心甜瓜幼苗定植于陜西省楊凌農業示范區千玉合作社非對稱大跨度塑料大棚內(34°28′N、108°07′E)，袋式栽培，每袋裝基質18 L，定植2株，株距40 cm。灌溉營養液四水合鉬酸銨[(NH4)2MoO4·4H2O]設置0、0.02和0.04 mg/L 共3個濃度水平，且分別記為M0、M1和M2；其他營養元素供應量同標準山崎甜瓜營養液配方。每處理重復3次，每小區(11 m×1.8 m)定植兩行為1次重復，行距80 cm[21]。開花坐果后到取樣前(果實成熟期)，晴朗天氣時每3 d施肥1次，各水平(NH4)2MoO4·4H2O施入量分別為0、0.537和1.074 mg/株，單蔓整枝方式，每株留瓜4個，其余田間管理按常規進行。

1.3 測定項目及方法

在果實成熟期，各處理隨機選取4株長勢基本一致的植株，每株選取成熟度、大小和色澤相同且果面無損傷果實各2個，蒸餾水沖洗干凈，瓜蒂和瓜臍部位2 cm處及瓜瓤切除后，將不同處理各果實1/2部分快速粉碎成勻漿后儲存用于營養品質及揮發性物質測定，剩余部分置于烘箱中 105 ℃殺青、65 ℃烘干至恒量、粉碎過篩混勻后消解測定全鉬含量。

1.3.1 營養品質測定 采用3,5-二硝基水楊酸法測定還原糖含量，用鉬藍比色法測定抗壞血酸含量，用氫氧化鈉滴定法測定有機酸含量，用考馬斯亮藍G-250比色法測定可溶性蛋白質含量，游離氨基酸含量采用茚三酮顯色法測定，硝酸鹽含量采用水楊酸法測定[22]；采用手持數字折光儀測定可溶性固形物含量，用ICAP Qc型電感耦合等離子體質譜儀測定果實全鉬含量。

1.3.2 揮發性物質成分和含量測定 頂空固相微萃取條件：采用ISQ型 GC-MS聯用儀進行揮發性物質測定。精確稱取5.0 g甜瓜樣品于40 mL頂空瓶中后，加1.5 g NaCl(分析純)進行細胞破壁，再加入10 μL含量為0.04 μL/mL的2-辛酮(質譜級)標樣，錫箔紙封口，擰緊蓋子后放置于攪拌速率為500 r/min、溫度為50 ℃的恒溫磁力攪拌器上平衡10 min。平衡結束后，將在 250 ℃條件下老化1 h的固相微萃取頭垂直插入頂空瓶內，緩慢推出纖維頭，與樣品液面保持2.0 cm距離，50 ℃頂空吸附30 min，250 ℃解吸2.5 min，采集數據。

色譜條件：色譜柱型號為HP-INNOWax 彈性石英毛細管柱(60 m×0.25 mm，0.25 μm)；載氣為高純度He(99.999%)，流速1.0 mL/min。升溫程序：初始溫度為40 ℃，保持 2.5 min后以10 ℃/min升至110 ℃，再以6 ℃/min升溫至 230 ℃，維持8 min，進樣口溫度250 ℃，不分流進樣。

質譜條件：電子電離(EI)；電子能量70 eV；離子源溫度 250 ℃；質譜掃描質量范圍35～450 m/z。

定性分析：將相似性指數(similarity index，SI)大于800的未知化合物質圖譜經計算機檢索并結合人工圖譜解析及資料分析后進行初步定性。

定量分析：以2-辛酮為標樣，采用內標法進行物質定量。計算公式如下：

Z=(S1/S2×m×1 000)/M

(1)

式中，Z代表香氣物質含量(μg/kg)；S1、S2分別代表樣品的峰面積、內標物的峰面積；m、M分別代表內標物的質量(μg)、樣品的質量(g)。

OAV分析：在各種揮發性成分定量的基礎上，根據參考文獻中各揮發性物質在水中的風味閾值，按下式計算各成分的OAV值(odour activity value)：

OAVi=Oi/OTi

(2)

式中，Oi為甜瓜香氣組分含量(μg/kg)；OTi為組分i在水中的香氣閾值(μg/kg)，OAV值不小于1的化合物被認為是特征效應化合物。

1.4 綜合評價分析

參考Liang等[23]和李玲等[24]的方法，構建原始評價參數矩陣；設有n個評價對象，m個評價指標，原始數據可寫為矩陣X=(xij)n×m，本試驗中n=3，m=17；

(3)

將原始數據進行標準化處理。

(4)

采用SPSS25.0軟件將原始數據進行主成分分析，確定各主成分特征值Aj、載荷權數Bj和方差貢獻率Cj，求得各指標在線性組合中的系數Fj，即

(5)

利用Fj求得各指標參數在綜合得分模型中的系數Pj，即

(6)

確定各品質指標權重Wj，即

(7)

建立歸一化決策矩陣Rij，即

Rij=Wj×Xij

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

計算第i個指標與最優理想解的趨近程度Ci，即

(13)

Ci越趨近于1表明相應評價指標越接近最優水平，反之，Ci越趨近0，表示評價指標越接近最劣水平。將趨近程度Ci作為各處理綜合得分，排序比較后得出最優處理。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 記錄整理數據并完成圖表制作，用SPSS 25.0進行單因素方差分析，Duncan’s法進行顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鉬酸銨對甜瓜果實營養品質的 影響

硝酸鹽含量是蔬菜安全品質監控的重要指標之一，瓜類蔬菜硝酸鹽含量高于438 mg/kg時則不宜食用，而還原糖、可溶性蛋白質等含量的高低則與甜瓜的口感、風味等密切相關。本研究中不同處理對各甜瓜果實營養品質指標的影響差異顯著(表1)；其中甜瓜果實可溶性蛋白質、可溶性固形物和硝酸鹽含量均隨鉬酸銨水平增加呈先升高后降低趨勢，游離氨基酸和可滴定酸含量與之相反；與M1處理相比，M0和M2處理可溶性蛋白質、可溶性固形物與硝酸鹽含量分別顯著降低 17.39%和13.93%、11.07%和4.59%及7.45%和21.88%，游離氨基酸與可滴定酸含量則分別顯著增加27.91%和47.39%、13.40%和 53.11%；甜瓜抗壞血酸和全鉬含量均與營養液中鉬酸銨濃度呈正相關，與M2處理相比，M0和M1處理果實抗壞血酸和全鉬含量分別顯著降低 62.33%和46.80%、44.24%和18.11%；M0與M1處理還原糖含量無顯著差異，但均顯著高于M2處理。表明施用內含0.04 mg/L(NH4)2Mo4·4H2O的營養液能夠通過提高抗壞血酸、游離氨基酸、可滴定酸和全鉬含量，降低硝酸鹽含量有效改善提高營養品質。

表1 不同處理甜瓜果實營養品質

2.2 不同濃度鉬酸銨對甜瓜果實芳香物質的 影響

2.2.1 甜瓜果實芳香物質成分和含量 經計算機及數據庫檢索發現(表2)，各處理甜瓜果實中共檢測到46種相似指數大于800的香氣物質，包含酯類21種、醇類12種、醛酮類6種和7種其他物質；其中，共有香氣物質含量從多到少依次為M0 >M1 >M2，具體包括9種酯類、3種醇類、1種醛酮類和2種其他物質；此外，各處理均檢到6種不同的特有香氣成分，M1處理為乙酸乙酯、2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇二異丁酸酯、3-(甲硫基)丙酸乙酯、順-3-己烯-1-醇、正丁醇和二十烷，M1處理為1-己醇、(E)-2-壬烯醛、壬醛、(E)-6,10-二甲基-5,9-十一雙烯-2-酮、反式-α-紫羅蘭酮和2,3,6-三甲基十四烷，M2處理為乙酸異戊酯、1-辛烯-3-醇乙酸酯、乙酸苯甲酯、3-甲基-1-戊醇、(Z)-2-甲氧基-4-(1-丙烯基)-苯酚和1-(1,5-二甲基-4-己烯基)-4-甲基苯，各處理特有香氣物質相對含量分別為5.31%、4.25%和7.88%。

表2 不同處理的甜瓜香氣物質種類及含量

不同處理甜瓜果實芳香成分及含量差異明顯，但均以酯類、醇類化合物種類最多；M0、M1和M2處理依次檢出29、31和28種香氣成分，含量分別為579.71、745.76和447.89 μg/kg，占檢出香氣成分總量的53.19%、64.93%和60.09%；各處理果實中醇類、醛酮類物質的種類與含量均隨鉬酸銨濃度增加呈先增后減趨勢，其中，M0處理酯類物質均為16種，占香氣檢出量的 57.93%，M1處理的酯類物質種類、含量和占比分別為12種、221.34 μg·kg-1和38.18%；M2處理醇類、醛酮類和其他物質分別為6種、2種和4種，含量分別為123.98、21.29和25.87 μg/kg。

2.2.2 甜瓜果實特征香氣成分、含量和OAV分析 從被檢測香氣物質中篩選出9個OAV不小于1(3個處理的平均值)的特征香氣成分，包括5種酯類、3種醇類和1種醛類物質(表3)。M0、M1和M2處理分別檢測到6種、7種和8種特征香氣物質，總含量依次為172.79、342.94和 220.63 μg/kg。特征香氣單體含量隨鉬酸銨施用水平變化差異明顯；丁酸乙酯和1-辛烯-3-醇含量隨鉬酸銨濃度增加先增后減，2-甲基丁酸乙酯含量變化與其相反；M0和M2處理丁酸乙酯及1-辛烯-3-醇含量與M1處理相比分別降低8.33%和 18.23%及14.61%和20.22%，而2-甲基丁酸乙酯含量約為M1的9.50倍和15.06倍；丁酸乙酯含量則隨鉬酸銨濃度增加而增加。

表3 不同處理下特征香氣化合物香氣特征、含量及OAV

香氣化合物單體在整體香氣中的貢獻除由化合物含量決定外，還取決于其閾值大小。具有水果味的2-甲基乙酸丁酯由于其較高的閾值(11 μg/kg)在所有特征化合物中OAV最低；而具有甜瓜特有香味的(Z)-6-壬烯醛OAV最高(761.833)，其對甜瓜特有風味形成起關鍵性作用，但在M0處理下該物質未被檢出；其他化合物OAV平均值均超過10，也對甜瓜果香和清香風味的形成產生重要影響。

2.3 PCA-TOPSIS綜合評價

2.3.1 PCA分析確定各指標參數 由于特征香氣成分對果蔬的特殊香味起決定性作用，因此為明確不同鉬酸銨水平對甜瓜品質的影響，以鉬酸銨處理作為樣本單元，將甜瓜果實可溶性蛋白質、還原糖、硝酸鹽、游離氨基酸、可溶性固形物、可滴定酸、抗壞血酸9個營養指標和8個特征香氣OAV指標作變量。

由表4可知，采用SPSS 25.0數據分析軟件對17個指標進行PCA分析，將其轉化為2個主成分；其中，第一和第二主成分特征值分別為 8.743和8.257，方差貢獻率分別為51.432%和 48.568%。2個主成分的累計方差貢獻率達到100%，說明這兩個主成分能夠代替17個指標的全部信息。

表4 主成分的特征值、方差貢獻率和累計方差貢獻率

2.3.2 建立歸一化決策矩陣R，計算趨近度Ci如表5所示，在PCA分析基礎上，通過公式(5)～(7)計算得到各指標權重；再通過TOPSIS分析即公式(8)～(13)得各處理綜合得分。綜合得分越高，表明該處理下甜瓜果實綜合品質越佳。由表6可知，M2處理時得分最高，為0.832，M0最低，為0.085。

表5 品質指標的載荷向量和權重

表6 TOPSIS決策矩陣和分析結果

3 討論與結論

硝酸還原酶能夠加速硝酸根離子還原，而鉬作為硝酸還原酶活性組分，施鉬能夠促使光合產物流向氮素代謝，為蛋白質合成提供物質基礎。果實中所含可溶性蛋白質和硝態氮隨鉬酸銨增加呈先上升后下降趨勢，而游離氨基酸與之相反；這與在莧菜[31]和大蒜[32]中發現的結論不完全一致，可能是在鉬肥不足或高濃度鉬肥處理下，植物由于硝酸還原酶活性降低而使氮同化能力受到抑制，從而使蛋白質合成量降低，而游離氨基酸含量則相對增加。適當施鉬能夠有效增加根際有益微生物相對豐度，其通過分解有機質、轉化土壤氮素形態而導致硝態氮還原速度低于積累速度，而鉬素施入過多則抑制微生物代謝活動[33]，這是本試驗條件下果實硝態氮含量隨鉬酸銨水平增加而先增后減的原因。鉬作為磷酸酶和氫化酶的重要組分，通過參與抗壞血酸—谷胱甘肽循環過程對植物機體內抗壞血酸合成起到促進作用，故適當施鉬能夠增加植物體內抗壞血酸含量[34-35]。本研究中0.02 mg/L(NH4)2MoO4·4H2O處理的可溶性固形物含量顯著高于其他各處理，這與薛曉敏等[36]在蘋果中的研究結果相似，這是因為施鉬還能增強光合色素的穩定性、增大植株的光合作用面積，提高植物光合速率，從而有利于可溶性固形物的形成。鉬對增加繁殖器官中糖類的水解作用也有一定影響，本研究中0.04 mg/L鉬酸銨處理下果實還原糖含量低于0和0.02 mg/L鉬酸銨處理，可能是因為該處理下果實糖類水解作用較強。卯新蕊等[37]發現鉬含量與桃果實糖酸含量呈正相關性，而張喻等[38]和吳德宜等[39]則表明噴施鉬酸銨能降低歐李和解放鐘枇杷果實的可滴定酸含量。本研究中，鉬酸根離子進入細胞膜后與有機酸結合形成復合物，導致有機酸含量降低，而隨著鉬含量的增加，細胞主動運輸吸收鉬酸根離子達到飽和狀態而停止結合有機酸，導致有機酸含量相對增加[40]。

揮發性香氣物質也是衡量甜瓜果實品質優劣的重要指標之一；不同甜瓜品種的揮發性物質差異較大，果實產生的香氣類型也不同，根據人們對不同化學結構的香氣成分的感官效果，甜瓜香氣分為果香型、清香型、辛香型和麝香型等幾類，其中酯類物質是果香型甜瓜果實的主要香氣成分[6]；本研究中各處理下果實香氣酯類含量豐富(19.66%～40.28%)，表明‘千玉6號’甜瓜為果香型甜瓜[20]。夏美玲等[12]在不同有機硒肥濃度處理下共檢測出58～67種揮發性香氣物質，多于本研究所檢測到的46種揮發性成分，這是因為甜瓜香氣的形成與品種、生理特性、試驗條件與處理等密切相關，不同品種、試驗處理下甜瓜果實香氣組成成分和含量差異明顯；M0、M1和M2處理分別檢測到29、31和28種揮發性物質，表明適當施鉬有利于果實中揮發性成分種類形成；通過OAV分析3個處理共檢測到9種特征香氣物質，包括5種酯類、3種醇類和1種醛類物質，這些物質可能共同決定了“千玉6號”甜瓜的香氣風味；同時，各處理則依次檢出6、7和8種特征香氣成分，表明通過外源施用適當濃度鉬酸銨能夠促進甜瓜特征香氣物質的形成，但不同鉬濃度作用效果不同。鉬作為活性因子參與并影響碳氮代謝調控，而甜瓜果實中一部分揮發性物質合成前體經過碳氮代謝等一系列過程形成，因此施用鉬素水平過低會導致芳香物質合成前體物質供應不足，繼而導致甜瓜特征芳香物質含量相對較低；而施用鉬素水平過高時，則導致植物體內代謝失調，也會影響甜瓜特征芳香物質積累。因此，特征香氣總含量隨鉬酸銨增加呈拋物線趨勢，這與潛宗偉等[41]研究結論一致。

甜瓜各香氣成分以不同結合態存在，而特征香氣的OAV值兼顧濃度及閾值，能夠代表甜瓜風味的整體特征。本試驗采用PCA與TOPSIS相結合的方法，對甜瓜營養品質和特征香氣OAV值綜合評價，發現0.04 mg/L鉬酸銨處理時甜瓜果實品質最佳，得分為0.832，而0 mg/L處理得分最低，表明適當增施鉬酸銨能夠有效促進甜瓜果實品質提升。而在施用更高濃度鉬酸銨甜瓜果實品質如何變化方面還需進一步研究。

綜上所述，施用不同鉬酸銨用量顯著提高甜瓜果實營養品質，且0.04 mg/L鉬酸銨處理時果實風味更為豐富，盡管該處理下果實檢出的香氣成分總含量最少，但酯類物質占比最高，特征香氣種類最多。因此，基質栽培‘千玉6號’甜瓜過程中施用0.04 mg/L鉬酸銨營養液能夠促進優質生產。