王江龍，張光弟,2*，張浩宇，張昆明，侯曉健，許昌，賈毅男

（1. 寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，寧夏銀川 750021；2. 寧夏設(shè)施園藝（寧夏大學(xué)）技術(shù)創(chuàng)新中心，寧夏銀川 750021）

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，2019年我國葡萄種植面積和產(chǎn)量分別達72.62萬 hm2和1419.54萬 t，鮮食葡萄和設(shè)施葡萄栽培面積為全球最大[1]，葡萄已成為中國第四大果樹產(chǎn)業(yè)之一[2]。‘紅地球’系歐亞種，原產(chǎn)于美國加利福尼亞州，粒大、色艷、耐貯、含糖量高，廣受消費者青睞，是中國鮮食葡萄主栽品種之一[3]。然而，生產(chǎn)中常見的諸如干旱、高溫、低溫、病蟲等不良因素會對葡萄種植造成重大的損失[4]。有研究表明，可以通過合理施用礦物質(zhì)元素來提高植物抗性以抵御生物脅迫和不良環(huán)境的影響[5-6]。

硅是植物生長的有益礦質(zhì)元素。水晶石經(jīng)1700 ℃高溫煅燒、濃縮抽提后可獲得水溶性硅素[7]。研究表明，硅肥既可作肥料提供養(yǎng)分，又可用作土壤調(diào)理劑來改良土壤。此外，還兼有防病、防蟲和減毒的作用，已成為發(fā)展綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的高效優(yōu)質(zhì)肥料[8]。施加適量硅素能提高作物的代謝水平，促進作物對氮、磷肥的吸收利用，促進植株的生長發(fā)育[9-10]。硅素在果品的形態(tài)建成、光合能力、葉綠素熒光特性、保護酶系統(tǒng)及品質(zhì)等方面的研究也均有報道[11-13]。例如增施硅肥可以明顯促進枸杞生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)，同時增強枸杞葉片的光合作用，提高NDVI指數(shù)和干物質(zhì)累積量[14]；對每株羅漢果施用150 g硅肥能夠顯著提高光合能力，其干質(zhì)量和皂苷V的含量分別提高10.6%和16.1%[15]；硅肥還可以促進蘋果對微量元素的吸收，降低桃果缺素癥發(fā)生，有效地改善果實品質(zhì)[16]。

本研究以不同濃度硅素葉面噴施處理的‘紅地球’葡萄樹體，在成熟期采收測定果實總糖及可溶性固形物、總酸、Vc含量并且利用GC-IMS技術(shù)分析其揮發(fā)性物質(zhì)種類與峰值，采用PCA和相似度分析方法對不同處理的‘紅地球’葡萄進行區(qū)分。探究硅素對‘紅地球’葡萄果實品質(zhì)定向調(diào)控的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

參試品種為‘紅地球’，2020年9月采自寧夏永寧縣玉泉營葡萄基地。9年生，樹形為傾斜獨龍干，株行距為3.0 m×0.5 m，南北行向，樹體長勢基本一致，通風條件良好，常規(guī)農(nóng)藝管理。

硅肥來源于淄博山佳硅鋁新材料股份有限公司，琥珀色透明液體，有效含量為SiO2100 g/L。

初花期（5月中下旬和6月上中旬）對參試樹體分別用清水（CK）、硅肥200倍（Si200X）、400倍（Si400X）、600倍（Si600X）進行全樹噴施。各處理噴施一行（25株）。

1.2 方法

1.2.1 果實采樣

標記主蔓粗度基本一致的4個處理所需標準樹體各10株，在果實成熟期（9月6日）從每株的上、中、下部各采收1穗果，放入加冰保溫箱中帶回實驗室，當日在室內(nèi)剪下果粒（無果蒂）再次混樣裝入自封口PE袋（0.06 mm），入-18 ℃冰柜凍貯。

1.2.2 果實理化指標測定

從-18 ℃冰柜隨機挑選各處理的‘紅地球’果實15粒迅速進行品質(zhì)測定。總糖采用蒽酮比色法測定；總酸用NaOH滴定法測定；Vc采用2,4-二硝基苯肼比色法測定；可溶性固形物用手持折光儀測定[17]。所用試劑均為AR等級。

1.2.3 果實揮發(fā)組分條件選擇與檢測

采用FlavourSpec?風味分析儀（G.A.S，Germany）。測試系統(tǒng)篩選條件：氣相-離子遷移譜單元，分析時間為25 min；色譜柱類型，F(xiàn)S-SE-54-CB-115m ID：0.53 mm；柱溫60 ℃；載氣/漂移氣，高純氮氣（99.999%）；IMS溫度45 ℃。自動頂空進樣單元，進樣體積500 uL；孵育時間20 min，溫度40 ℃；進樣針溫度85 ℃；孵育轉(zhuǎn)速500 r/min。

氣相色譜條件：離子傳輸管載氣流速150 mL/min，色譜柱載氣流速：0～2 min時為2 mL/min；2～10 min時，從2 mL/min上升到10 mL/min；在10～20 min，急速上升到100 mL/min；在20～25 min后上升到150 mL/min；在150 mL/min下維持25 min后分析結(jié)束[18-19]。試驗時取混樣果粒打漿，稱取1 g進行揮發(fā)性組分測定，每組樣品取3次作為平行樣。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù)和作圖；利用機載分析軟件，包括LAV（Laboratory Analytical Viewer，LAV-Gallery Plot 2.2.0 software）和3款插件以及GC×IMS Library Search對揮發(fā)組分數(shù)據(jù)進行分析；熱圖采用TBtools軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴硅對‘紅地球’葡萄果實品質(zhì)指標的影響

總糖度、總酸度、Vc和可溶性固形物是衡量葡萄品質(zhì)好壞的最重要指標。糖度高，總酸度適宜，Vc含量高是葡萄優(yōu)質(zhì)的重要表現(xiàn)[20]。

表1顯示，高濃度硅素溶液處理下葡萄的總糖會明顯增大，其中硅素200倍處理總糖含量最高，增幅達66.1%，400倍濃度處理下的總糖增幅為49.2%，而硅素濃度降低至600倍時對‘紅地球’的總糖含量無顯著影響。值得注意的是總酸會隨著噴施硅素濃度的降低呈現(xiàn)升高趨勢，200倍硅素處理下總酸與對照組相比無顯著變化，而400倍和600倍硅素處理下總酸的增幅分別達17%、66.7%。Vc會隨著處理濃度的降低而降低，并且所有處理組的Vc含量均低于對照組，分別降低10.8%、24.5%、28.8%。這說明硅素處理會影響到‘紅地球’葡萄果實Vc的積累。隨著噴施濃度的降低，‘紅地球’葡萄果實中可溶性固形物含量呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢，200倍處理下增幅為4.8%，而400倍處理下增幅為26.6%，此后基本維持不變?？傮w上，硅素的施用會明顯影響‘紅地球’葡萄果實品質(zhì)。對理化指標進行綜合考慮后可得出，用200倍的硅肥對‘紅地球’葡萄進行葉噴處理對改善其果實品質(zhì)較為理想。

表1 四種處理下葡萄果實品質(zhì)Table 1 Quality of grape fruits under four treatments

2.2 噴硅對‘紅地球’葡萄揮發(fā)性物質(zhì)的影響

2.2.1 噴硅的‘紅地球’葡萄揮發(fā)性物質(zhì)指紋圖譜

圖1是從不同濃度硅素處理‘紅地球’葡萄的指紋圖譜中截取的差異顯著的一部分。圖中每一行代表一個樣品部分信號峰，每一列代表同一揮發(fā)性有機物在不同處理樣品中的信號峰。

圖1 4種處理下葡萄果實中揮發(fā)性有機物的Gallery Plot圖Figure 1 Galleryplot of volatile organic compounds in grape fruits under four treatments

從圖1中可看出，隨著噴施濃度的降低，‘紅地球’葡萄中的揮發(fā)性組分濃度逐漸增大，并且有新的揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生。葉噴200倍和400倍時，‘紅地球’葡萄的風味物質(zhì)變化不大；而施用600倍時，風味物質(zhì)明顯豐富。結(jié)合表2看出，與對照組相比，用600倍硅素噴施處理中乙酸乙酯、丙酸乙酯、3-甲基-3-丁烯-1-醇、乙酸正丙酯的峰體積分別增加2873%、454%、327%、237%，而另外兩個處理組中除400倍處理導(dǎo)致丙酸乙酯峰體積增加了440%之外，其他處理導(dǎo)致的峰體積變化均較低，這表明高濃度的硅素反而會對一部分揮發(fā)性物質(zhì)的產(chǎn)生造成抑制，也反映出丙酸乙酯是‘紅地球’葡萄中較為耐高濃度硅素處理的揮發(fā)性物質(zhì)。此外，乙酸乙酯可視為噴施硅素后‘紅地球’葡萄中產(chǎn)生的特異性揮發(fā)物質(zhì)，600倍硅素處理后，乙酸乙酯峰體積較對照增大近30倍，成為葡萄中第二大揮發(fā)性物質(zhì)；隨著噴施硅素濃度的降低，2-己烯-1-醇的峰體積從21 600.51降低到16 595.05，乙醛從9307.00降低到6709.63，但兩者仍為葡萄果實中主要的揮發(fā)性成分，而乙酸丁酯峰體積減幅近一半，退出了主要揮發(fā)性物質(zhì)行列。苯甲醛、乙醇、苯甲酸甲酯等成分在4個處理中峰體積差異較小，均低于16%，表明這4種物質(zhì)對葉噴硅素處理方式并不敏感。

表2 果實揮發(fā)物質(zhì)定性結(jié)果Table 2 Qualitative results of volatile matter in fruits

通過內(nèi)置氣相保留指數(shù)數(shù)據(jù)庫與G.A.S的IMS遷移時間數(shù)據(jù)庫進行二維定性，4種處理中共定性出32種揮發(fā)性物質(zhì)（含二聚體）。由表2可知，‘紅地球’葡萄中可定性分析出（包含二聚體）揮發(fā)性醛類8種、酯類12種、醇類9種、酮類2種以及雜環(huán)類1種。通過分析各類揮發(fā)物峰體積變化可得，在5類揮發(fā)性化合物中，酯類物質(zhì)對噴硅處理最敏感，200倍、400倍、600倍硅素處理影響程度分別高達147%、677%和868%，表明600倍噴施即可顯著影響酯類物質(zhì)的提升，或顯示出以酯類物質(zhì)為主的呈香特點。醇類、醛類、雜環(huán)類揮發(fā)性物質(zhì)受硅素影響次之。

2.2.2 硅素處理下‘紅地球’葡萄揮發(fā)性主成分聚類分析

從圖2中可以看出，清水、200倍、400倍硅素處理的‘紅地球’葡萄聚類點距離相對較近，而600倍處理與前3種處理距離較遠，因此可以將不同濃度處理下‘紅地球’葡萄的揮發(fā)組分聚為兩類。清水、200倍、400倍硅素處理組可聚為一類；600倍處理組可聚為一類。這說明同一品種、同等管理條件下，噴施不同濃度的硅素會對‘紅地球’葡萄揮發(fā)性組分造成影響。同時硅素噴施濃度高于600倍時對‘紅地球’葡萄揮發(fā)性組分影響較小。

圖2 4種處理下葡萄果實中揮發(fā)性有機物的PCA分析Figure 2 PCA analysis of volatile organic compounds in grape fruits under four treatments

2.2.3 硅素處理下‘紅地球’葡萄揮發(fā)性物質(zhì)相似度分析

熱圖可更為直接看出不同處理‘紅地球’葡萄揮發(fā)性成分之間的差異和區(qū)分度。橙色越深匹配度越高，表示相似程度越高，區(qū)分度越低；藍色越深表示相似程度越低，區(qū)分度越高。由圖3可知，4種濃度硅素處理的‘紅地球’葡萄除與自身匹配度呈現(xiàn)橙色外，清水、200倍、400倍處理組之間匹配度也呈現(xiàn)淺橙色，但600倍處理組與其他幾組處理間匹配度呈明顯藍色，這更加說明了葉面噴施200倍和400倍硅素時，葡萄中的揮發(fā)性有機物變化不大，而600倍噴施會使‘紅地球’葡萄揮發(fā)性組分產(chǎn)生明顯變化。

圖3 4種處理下葡萄果實中揮發(fā)性有機物TBtools熱圖分析Figure 3 TBTools heat map analysis of volatile organic compounds in grape fruits under four treatments

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

葉噴硅素下‘紅地球’葡萄的內(nèi)在品質(zhì)發(fā)生了變化。600倍硅素處理不影響總糖，但總酸和可溶性固形物含量都明顯增加。400倍硅素處理下總糖、總酸、可溶性固形物含量均呈增高趨勢， 200倍硅素處理對總酸含量不造成影響，但總糖和可溶性固形物會提升。這與石彥召[20]、李磊[21]、張梅[22]、李小玲[23]等的研究存在部分相似。由此表明改善果實不同指標可采用不同濃度硅素進行噴施。

不同揮發(fā)性化合物因?qū)杷孛舾行圆煌鴷淖兿銡饣衔锏慕M成[24-25]。葉面噴施硅素使醇類整體占比不變；2-己烯-1-醇峰體積減小時正己醇、3-甲基-3丁烯-1-醇的峰體積增大，使醇類占比始終保持在揮發(fā)性物質(zhì)首位。酯類占比受硅素的影響一度取代醛類居第二位，值得注意的是噴施200倍硅素時酯類物質(zhì)占比居于醛類之下。

綜上所述，葉面噴施硅素使得葡萄果實中一部分物質(zhì)的含量發(fā)生改變。高濃度硅素處理會改善果實的理化品質(zhì)并不會影響果實風味，低濃度硅素處理會使果實的揮發(fā)性物質(zhì)更加豐富，但果實的理化品質(zhì)會略有下降，可能低濃度的硅素噴施會利于‘紅地球’的酸類物質(zhì)或其前體物的積累，從而使得其揮發(fā)性物質(zhì)的豐富度提高。

3.2 結(jié)論

對于‘紅地球’葡萄，葉面噴施低劑量（600倍）的硅素時，果實中的部分風味物質(zhì)含量提高，同時產(chǎn)生大量新的風味物質(zhì)，包括乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸異戊酯和3-甲基-3-丁烯-1-醇等，這表明600倍硅素葉噴處理更有利于‘紅地球’葡萄風味的改善。葉噴200倍硅素時，葡萄的常規(guī)品質(zhì)會得到相對改善，口感會更好，這也給鮮食葡萄品質(zhì)定向提升提供參考。