王 琦,蘇 杭,王懷松,付秋實(shí),李春梅,邵 華,金茂俊,王珊珊,佘永新,鄭鷺飛,王 靜,金 芬,*

(1.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所,北京 100081;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所,北京 100081)

甜瓜是我國主要的園藝作物,含有豐富的糖、蛋白質(zhì)、維生素和微量元素,深受消費(fèi)者的喜愛。我國甜瓜的種植范圍廣,種植面積達(dá)353000公頃/年,產(chǎn)量約970萬噸/年,在全球水果產(chǎn)量排名中位列第7[1-3]。目前,在我國的甜瓜設(shè)施栽培中,常采用氯吡脲(CPPU)等植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑來提高座果率[4]。

氯吡脲(CPPU)是一種苯脲類植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,具有很高的細(xì)胞分裂素活性[5-6],廣泛應(yīng)用于黃瓜、西瓜和甜瓜等蔬菜作物的座果或增產(chǎn)[7-8]。近年來,隨著氯吡脲在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的日益增多,關(guān)于其使用的安全性及對(duì)農(nóng)作物品質(zhì)的可能影響一直成為社會(huì)關(guān)注及研究的熱點(diǎn)[9-10]。目前,雖然氯吡脲在果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育過程中對(duì)植物內(nèi)源性激素調(diào)控的機(jī)理尚不明確[5],但其對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的風(fēng)味影響已經(jīng)有了一些報(bào)道。吳乾興等[8]研究表明,經(jīng)氯吡脲處理后,甜瓜的蔗糖、葡萄糖和果糖含量明顯增高,而維生素C含量降低。付秋實(shí)等[11]研究發(fā)現(xiàn),氯吡脲噴花可顯著提高厚皮甜瓜中可溶性糖和可溶性固形物含量,而目前關(guān)于氯吡脲對(duì)甜瓜揮發(fā)性風(fēng)味等品質(zhì)的影響評(píng)價(jià)還未見報(bào)道。

電子鼻和電子舌技術(shù)是根據(jù)仿生學(xué)原理,由傳感器陣列和自動(dòng)化模式識(shí)別系統(tǒng)所組成的一類檢測(cè)技術(shù)[12-13]。與傳統(tǒng)的光譜、色譜等技術(shù)相比,電子鼻和電子舌技術(shù)能夠快速識(shí)別樣品中風(fēng)味物質(zhì)的整體信息,具有快速、無損、無需樣品預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn)[14-16]。王偉靜等[17]運(yùn)用電子鼻和和電子舌技術(shù)研究了不同加熱溫度燉煮下不同部位牛肉的風(fēng)味物質(zhì)差別。T Dymerski等[18]應(yīng)用電子鼻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多種類型蜂蜜的分析判別。

本研究通過開展薄皮甜瓜的田間試驗(yàn),設(shè)計(jì)不同濃度氯吡脲處理小區(qū),基于電子鼻和電子舌技術(shù),結(jié)合生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo),研究評(píng)價(jià)了不同濃度氯吡脲對(duì)薄皮甜瓜風(fēng)味的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

薄皮甜瓜459(CucumismeloL.) 由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所甜瓜課題組提供;0.1%氯吡脲可溶液劑 四川省蘭月科技有限公司。

游標(biāo)卡尺 日本三豐公司;PL303型中國萬分之一天平 瑞士梅特勒公司;FT-327硬度計(jì) 意大利Fruit TestTM公司;PAL-1型手持式糖量計(jì) 深圳三恩馳公司;PEN3型電子鼻 德國Airsense公司;Astree型電子舌 法國阿爾法公司日本愛拓公司;NR2000型色差分析儀 深圳三恩馳公司;NR2000型色差分析儀 可判斷樣品與標(biāo)準(zhǔn)板之間的顏色差異,其中L代表明暗度(黑白),a代表紅綠色,b代表黃藍(lán)色;PEN3型便攜式電子鼻系統(tǒng) 由W1C、W5S、W3C、W6S、W5C、W1S、W1W、W2S、W2W和W3S等10個(gè)金屬氧化物傳感器組成的陣列傳感器組成,各傳感器具體響應(yīng)特征如表1所示;Astree型電子舌系統(tǒng) 由7個(gè)化學(xué)選擇性區(qū)域效應(yīng)的味覺傳感器和1個(gè)Ag/AgCl參比電極組成,其7個(gè)化學(xué)傳感器中SRS(酸味)、SWS(甜味)、BRS(苦味)、STS(咸味)及UMS(鮮味)可感知5種味道,另外兩種SPS、GPS可感知復(fù)合味道。

表1 PEN 2型號(hào)電子鼻的傳感器及其響應(yīng)恃征Table 1 The PEN 2 sensors and their response characteristic

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 田間試驗(yàn) 試驗(yàn)于2016年6月至10月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地的溫室進(jìn)行,基地地處東經(jīng)108°10′,北緯34°21′。根據(jù)中國農(nóng)藥信息網(wǎng)登記,氯吡脲的推薦劑量為10～20 mg/kg,本研究在推薦劑量下選取10、15和20 mg/kg為處理組,另設(shè)置低于推薦劑量(5、8 mg/kg)為低濃度處理組,溫室平均分為對(duì)照組(人工授粉)及5個(gè)不同濃度施藥組,共計(jì)6個(gè)小區(qū)。雌花開花當(dāng)天,氯吡脲處理組采用氯吡脲溶液對(duì)甜瓜瓜胎進(jìn)行浸蘸處理3～5 s,使氯吡脲溶液均勻分布在瓜胎上;對(duì)照組采用雄花對(duì)雌花進(jìn)行授粉處理,并對(duì)每個(gè)甜瓜進(jìn)行編號(hào)。

1.2.2 果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的測(cè)定 在氯吡脲處理后1、3、5、7、9、11、13、15、20、25、30、32、34和36 d時(shí),在各小區(qū)隨機(jī)采集10個(gè)甜瓜果實(shí),采用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)橫徑和縱徑。在果實(shí)成熟期(36 d),在各處理小區(qū)分別采集大小、成熟度均勻一致的果實(shí)6個(gè),采用天平稱量單瓜質(zhì)量,采用手持式糖量計(jì)測(cè)定果肉可溶性固形物含量,采用硬度計(jì)測(cè)定甜瓜硬度,采用游標(biāo)卡尺測(cè)量果實(shí)橫徑和縱徑,并計(jì)算果形指數(shù)(果形指數(shù)=縱徑/橫徑),采用色差儀測(cè)定甜瓜的顏色。

1.2.3 電子鼻與電子舌分析 電子鼻測(cè)定選取未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)的甜瓜樣品為實(shí)驗(yàn)材料,準(zhǔn)確稱取均質(zhì)化的甜瓜樣品1 g于20 mL的頂空瓶中,靜置20 min后,用電子鼻對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,每個(gè)樣品平行測(cè)定3次;樣品準(zhǔn)備時(shí)間3 s,樣品測(cè)定時(shí)間30 s,樣品測(cè)定間隔1 s,測(cè)量計(jì)數(shù)1 s,清洗時(shí)間180 s,自動(dòng)調(diào)零時(shí)間10 s;內(nèi)部流量:400 mL/min;進(jìn)樣流量:7.747 mL/min。

電子舌測(cè)定選取未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)的甜瓜樣品為實(shí)驗(yàn)材料,準(zhǔn)確稱取均質(zhì)化的甜瓜樣品50 g,置于50 mL超純水中充分渦旋振蕩后,以1000 r/min速度在4 ℃下離心10 min,取上清液過濾備用。取80 mL濾液倒入電子舌專用燒杯中進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)采用清洗溶液和甜瓜汁樣本交替檢測(cè)序列進(jìn)行檢測(cè),清洗溶液為超純水。采樣時(shí)間180 s,采樣速度為1次/s,每個(gè)樣品平行測(cè)定3次,每個(gè)平行重復(fù)采集8次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)果采用SPSS 24軟件對(duì)電子鼻及電子舌數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析、主成分分析(PCA)、判別式分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度氯吡脲對(duì)甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)的影響

由表2可得,在甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)的第一階段(處理后1～9 d),處理組與對(duì)照組甜瓜果實(shí)橫徑增長(zhǎng)速度分別為2.72～3.53 mm·d-1和2.43 mm·d-1,處理組甜瓜生長(zhǎng)速度顯著大于對(duì)照組(p<0.05);在第二階段(處理后9～30 d),處理組與對(duì)照組甜瓜生長(zhǎng)速度差異減小;而到了第三階段(處理后30～36 d),處理組與對(duì)照組的甜瓜橫徑增長(zhǎng)速度均減緩,分別為0.95～2.10 mm·d-1和0.58 mm·d-1,成熟期(36 d)對(duì)照組與處理組之間橫徑無顯著差異,與已有報(bào)道中甜瓜果實(shí)橫徑變化規(guī)律基本一致[7-19]。

表2 不同濃度氯吡脲對(duì)不同采摘期甜瓜橫徑的影響(mm)Table 2 Effects of different concentration CPPU on cross diameter of melon in different periods(mm)

如表3所示,在甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)的第一階段(處理后1～9 d),處理組與對(duì)照組的縱徑增長(zhǎng)速度分別為4.52～5.92 mm·d-1和4.25 mm·d-1,處理組生長(zhǎng)速度顯著大于對(duì)照組(p<0.05);在甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)的第二階段(處理后9～30 d),與橫徑增長(zhǎng)情況類似,對(duì)照組縱徑生長(zhǎng)速度加快,與處理組間差異減小;除8 mg/kg處理組外,其他各處理組縱徑均大于對(duì)照組,且在處理30 d后與對(duì)照組呈顯著性差異(p<0.05)。而在甜瓜果實(shí)生長(zhǎng)第三階段(處理后30～36 d),與第二階段情況類似,除8 mg/kg處理組外,其他各處理組縱徑均大于對(duì)照組。在成熟期(36 d)甜瓜中,除8 mg/kg處理組外,其它處理組與對(duì)照組甜瓜相比縱徑提高,具體機(jī)制還需進(jìn)一步分析。

表3 不同濃度氯吡脲對(duì)不同采摘期甜瓜縱徑的影響(mm)Table 3 Effects of different concentration CPPU on longitudinal diameter of melon in different periods(mm)

表4給出了成熟期(36 d)不同處理組甜瓜果實(shí)的理化指標(biāo)。在質(zhì)量方面,處理組質(zhì)量均大于對(duì)照組,其中5 mg/kg和10 mg/kg處理組的甜瓜果實(shí)質(zhì)量顯著大于對(duì)照組(p<0.05);在可溶性固形物方面,各處理組與對(duì)照組之間無顯著性差異,這與李省印等[9]的研究結(jié)果相一致。而在果實(shí)硬度方面,不同濃度處理組均大于對(duì)照組,其中8 mg/kg處理組的甜瓜的果實(shí)硬度最大;在果形指數(shù)方面,所有甜瓜樣品均為長(zhǎng)圓形,果形指數(shù)均大于1,處理組與對(duì)照組無顯著性差異;在果實(shí)色度方面,不同處理組甜瓜的色度差異主要來自亮度(L)和黃色(b),處理組甜瓜果實(shí)的亮度和黃色色度下降。

表4 不同濃度氯吡脲對(duì)成熟期(36 d)甜瓜外觀品質(zhì)的影響Table 4 Effects of different concentration CPPU on ripe fruit quality of mature(36 d)melon

2.2 不同濃度氯吡脲對(duì)甜瓜風(fēng)味影響的電子鼻分析

目前,已發(fā)現(xiàn)的甜瓜中揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)約有三百多種[20],主要包括酯類、醛類、醇類、酮類、酸類、含氧雜環(huán)、酚類、含氮化合物及含硫化合物等,每一類物質(zhì)代表的風(fēng)味特征以及閾值均不同[21-22],因此對(duì)揮發(fā)性成分按類分析,提供整體信息,在一定程度上能夠反映風(fēng)味的特征。

2.2.1 電子鼻對(duì)不同成熟期甜瓜響應(yīng)分析 本實(shí)驗(yàn)采用的電子鼻設(shè)備由針對(duì)不同類型風(fēng)味敏感的10種金屬氧化物半導(dǎo)體傳感元件組成,表5給出了10種傳感器陣列對(duì)未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)甜瓜樣品中風(fēng)味敏感物的響應(yīng)值及其與氯吡脲濃度之間的相關(guān)性分析。由表5可知,在未成熟期(20 d)甜瓜樣品中各處理組與對(duì)照組相比,W1C傳感器響應(yīng)隨著施藥濃度的增高而增高,且較低濃度處理組(5、8及10 mg/kg)與對(duì)照組響應(yīng)無顯著性差異,高濃度處理組(15、20 mg/kg)與對(duì)照組響應(yīng)差異顯著(p<0.05);在W3C、W6S、W5C、W3S四種傳感器上,對(duì)照組與處理組響應(yīng)無顯著性差異;而在W5S、W1S、W1W、W2S、W2W五種傳感器上,響應(yīng)值隨濃度的變化呈先增大后減小的趨勢(shì),且都在5～10 mg/kg處理濃度上呈增長(zhǎng)趨勢(shì),在10～20 mg/kg處理濃度上呈下降趨勢(shì);同時(shí)W1C傳感器的響應(yīng)值與施藥濃度呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),綜合可得施用不同濃度的氯吡脲會(huì)對(duì)未成熟的甜瓜樣品中揮發(fā)性物質(zhì)造成一定影響,且可能與施藥濃度存在一定相關(guān)性。

表5 電子鼻對(duì)不同成熟期甜瓜響應(yīng)分析及其與氯吡脲濃度之間的相關(guān)性Table 5 E-nose analysis response for different mature melon and thecorrelation coefficients(r)between the responses and the concentrations of CPPU

在成熟期(36 d)甜瓜樣品中,與未成熟期(20 d)甜瓜樣品的響應(yīng)相比,W5S、W1W、W2S、W2W傳感器響應(yīng)值在成熟期(36 d)甜瓜樣品中明顯升高,特別是W1W傳感器的響應(yīng)值增高20～35倍,說明隨著甜瓜的成熟度的增加,各類揮發(fā)性成分貢獻(xiàn)物的含量明顯增高;同時(shí)與對(duì)照組相比,在20 mg/kg處理濃度上W1W、W2S、W3S傳感器響應(yīng)值顯著降低,說明使用較高濃度的氯吡脲可能會(huì)導(dǎo)致使該類傳感器敏感的揮發(fā)性貢獻(xiàn)物減少,如醇類、硫化成分和烷烴(甲烷)等。綜上所述,W1W傳感器的響應(yīng)值在未成熟期(20 d)和成熟期(36 d)甜瓜樣品中均為最高,W5S和W2W傳感器的響應(yīng)次之,這表明甜瓜樣品中含有對(duì)W1W、W5S、W2W傳感器響應(yīng)敏感的揮發(fā)性貢獻(xiàn)物,如硫化物、萜烯類化合物及烷烴等[23],同時(shí)氯吡脲的使用會(huì)對(duì)未成熟甜瓜的揮發(fā)性物質(zhì)造成一定影響,且與施藥濃度具有一定相關(guān)性。

2.2.2 主成分分析(PCA) 分別對(duì)不同濃度氯吡脲處理下未成熟期(20 d)甜瓜樣品和成熟期(36 d)甜瓜樣品的電子鼻數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，累積方差貢獻(xiàn)率均可達(dá)到100%，由此說明兩個(gè)主成分已含甜瓜樣本大部分信息。由圖1可知,不論是處于未成熟期的甜瓜樣品(圖1A)還是處于成熟期的甜瓜(圖1B)樣品,氯吡脲處理組與對(duì)照組間均存在顯著差異(p<0.05),可以完全分開。其中在未成熟期,不同劑量處理組組間距離大,風(fēng)味可較好的區(qū)分(圖1A)。而在成熟期,處理組間存在部分重疊,分布范圍縮小,說明各處理組風(fēng)味差異變小(圖1B);這表明隨著甜瓜的生長(zhǎng)成熟,氯吡脲對(duì)甜瓜揮發(fā)性成分的影響作用可能隨之減小。

圖1 不同成熟期甜瓜電子鼻主成分(PCA)分析圖Fig.1 PCA analysis of E-nose data for different mature melons

2.2.3 線性判別式分析(LDA) 由圖2(A)可以看出,在生長(zhǎng)期(20 d)的甜瓜樣品中,使用氯吡脲處理后的甜瓜可以與對(duì)照組完全區(qū)分開,且低劑量處理組(5和8 mg/kg)的甜瓜與高劑量處理組的甜瓜能完全分開,存在顯著差異(p<0.05);但高劑量處理組(15和20 mg/kg)甜瓜樣品之間距離較近,無顯著性差異。與之相似,在成熟甜瓜樣品(圖2B)中,除8 mg/kg處理組外,不同劑量組的甜瓜樣品間并無顯著差異,不同濃度處理組的甜瓜樣品中揮發(fā)性成分的差異的變化可能與甜瓜的成熟度有關(guān),這一結(jié)論與劉園[24]的研究結(jié)果相類似。由此可得,隨著甜瓜成熟度的變化,甜瓜的揮發(fā)性物質(zhì)組成也可能隨之改變。

圖2 甜瓜電子鼻判別分析圖Fig.2 Discriminant analysis of E-nose data of melon

2.3 不同濃度氯吡脲對(duì)甜瓜風(fēng)味影響的電子舌分析

2.3.1 電子舌對(duì)不同成熟期甜瓜響應(yīng)分析 表6為電子舌對(duì)未成熟期(20 d)及成熟期(36 d)甜瓜樣品的響應(yīng)及其與氯吡脲濃度之間的相關(guān)性分析。電子舌的7根傳感器中SRS、SWS、BRS、STS、UMS分別為對(duì)酸、甜、苦、咸、鮮味敏感地專一性傳感器,能夠給出不同樣品五種滋味相對(duì)強(qiáng)度大小[25],SPS、GPS可感知復(fù)合味道。由表6可知,未成熟期(20 d)甜瓜樣品中,在GPS、UMS(鮮味)傳感器上各處理組響應(yīng)顯著高于對(duì)照組(p<0.05),且在5～15 mg/kg施藥濃度范圍內(nèi)隨施藥濃度增大而響應(yīng)增高;在SRS(酸味)傳感器上,處理組響應(yīng)較對(duì)照組顯著降低(p<0.05),其中10 mg/kg處理組響應(yīng)最低,且該傳感器上響應(yīng)值與氯吡脲濃度之間呈顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05);其他傳感器隨濃度變化無明顯規(guī)律,說明氯吡脲的使用會(huì)對(duì)未成熟期(20 d)甜瓜樣品造成一定影響,使其鮮味貢獻(xiàn)物增多,酸味貢獻(xiàn)物減少。而在成熟期(36 d)甜瓜樣品中,處理組甜瓜的SRS(酸味)響應(yīng)顯著高于對(duì)照組,且該傳感器上響應(yīng)值與氯吡脲濃度之間呈極顯著正相關(guān)(p<0.01),與未成熟期(20 d)甜瓜樣品情況相反,這表明氯吡脲的使用可能會(huì)導(dǎo)致甜瓜中酸味貢獻(xiàn)物含量的變化,且與濃度存在一定相關(guān)性,但具體機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

表6 電子舌對(duì)不同成熟期甜瓜響應(yīng)分析及其與氯吡脲濃度之間的相關(guān)性Table 6 E-tongue analysis response for different mature melon and the correlation coefficients(r)between the responses and the concentrations of CPPU

綜上所述,無論是未成熟期(20 d)還是成熟期(36 d)的甜瓜樣品,電子舌的STS、SPS和UMS三種傳感器對(duì)不同處理組的甜瓜汁具有較好的響應(yīng);其中STS(咸味)傳感器的響應(yīng)值達(dá)3000以上,UMS(鮮味)傳感器的響應(yīng)值為2000左右,這表明甜瓜汁中可能含有很高濃度的離子性有機(jī)物和無機(jī)物等咸味貢獻(xiàn)物[26]及較高濃度的氨基酸[27]、核苷酸和有機(jī)酸等鮮味貢獻(xiàn)物,同時(shí)氯吡脲的施用會(huì)對(duì)不同時(shí)期甜瓜樣品中的酸味呈味物質(zhì)造成一定影響,且與施藥濃度存在一定相關(guān)性。

2.3.2 主成分分析(PCA) 圖3為不同濃度氯吡脲處理的未成熟甜瓜(20 d)和成熟甜瓜(36 d)樣品的電子舌PCA分析圖。不論在未成熟期甜瓜(圖3A)還是成熟期甜瓜(圖3B)中,主成分即可反應(yīng)樣品大部分信息，但在主成分1方向上處理組與對(duì)照組的甜瓜樣品能完全分開,說明處理組與對(duì)照組口感上有明顯差異,不同處理組集中于一、四象限,且隨濃度變化沿縱坐標(biāo)呈現(xiàn)一定規(guī)律變化。在未成熟甜瓜樣品(圖3A)中,對(duì)照組及5 mg/kg處理組主要分布在第一象限,而其他濃度處理組則集中分布在第四象限,且隨著處理組氯吡脲濃度的增加,樣品分布區(qū)域離對(duì)照組的距離越來越遠(yuǎn),呈現(xiàn)規(guī)律性分布,這表明甜瓜風(fēng)味物質(zhì)的組成與氯吡脲的濃度也存在一定相關(guān)性。在成熟甜瓜(圖3B)中,對(duì)照組樣品分布區(qū)域增大,重合部分分開,不同樣品組口感差異變大,其中8 mg/kg處理組距對(duì)照組距離明顯增大,說隨著甜瓜的生長(zhǎng)不同濃度處理組的甜瓜樣品中產(chǎn)生了不同的差異物質(zhì),不同濃度的氯吡脲會(huì)對(duì)成熟期甜瓜的口感產(chǎn)生一定的影響。

圖3 甜瓜電子舌主成分PCA分析圖Fig.3 E-tongue PCA analysis of melon

3 結(jié)論

本研究參考氯吡脲的推薦劑量(10～20 mg/kg),設(shè)計(jì)開展5個(gè)不同濃度氯吡脲(5～20 mg/kg)處理薄皮甜瓜田間試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)在甜瓜生長(zhǎng)初期推薦劑量下的氯吡脲濃度均會(huì)使甜瓜的橫、縱徑增長(zhǎng)速率變快,甜瓜果實(shí)的亮度和黃色色度降低,成熟后橫縱徑差異并不明顯。同時(shí)由電子鼻和電子舌數(shù)據(jù)分析可得,在生長(zhǎng)期和成熟期的甜瓜樣品中,氯吡脲處理組與空白組樣品中風(fēng)味物質(zhì)的組成存在顯著差異(p<0.05),且與氯吡脲施用濃度存在一定相關(guān)性,這表明氯吡脲的使用會(huì)對(duì)甜瓜的風(fēng)味品質(zhì)產(chǎn)生一定影響,而具體的特征性差異物質(zhì)及代謝途徑還有待進(jìn)一步深入研究。