叶面喷硅对‘红地球’葡萄果实挥发性物质的影响

王江龙，张光弟,2*，张浩宇，张昆明，侯晓健，许昌，贾毅男

（1. 宁夏大学食品与葡萄酒学院，宁夏银川 750021；2. 宁夏设施园艺（宁夏大学）技术创新中心，宁夏银川 750021）

国家统计局数据显示，2019年我国葡萄种植面积和产量分别达72.62万 hm2和1419.54万 t，鲜食葡萄和设施葡萄栽培面积为全球最大[1]，葡萄已成为中国第四大果树产业之一[2]。‘红地球’系欧亚种，原产于美国加利福尼亚州，粒大、色艳、耐贮、含糖量高，广受消费者青睐，是中国鲜食葡萄主栽品种之一[3]。然而，生产中常见的诸如干旱、高温、低温、病虫等不良因素会对葡萄种植造成重大的损失[4]。有研究表明，可以通过合理施用矿物质元素来提高植物抗性以抵御生物胁迫和不良环境的影响[5-6]。

硅是植物生长的有益矿质元素。水晶石经1700 ℃高温煅烧、浓缩抽提后可获得水溶性硅素[7]。研究表明，硅肥既可作肥料提供养分，又可用作土壤调理剂来改良土壤。此外，还兼有防病、防虫和减毒的作用，已成为发展绿色生态农业的高效优质肥料[8]。施加适量硅素能提高作物的代谢水平，促进作物对氮、磷肥的吸收利用，促进植株的生长发育[9-10]。硅素在果品的形态建成、光合能力、叶绿素荧光特性、保护酶系统及品质等方面的研究也均有报道[11-13]。例如增施硅肥可以明显促进枸杞生长发育、产量及品质，同时增强枸杞叶片的光合作用，提高NDVI指数和干物质累积量[14]；对每株罗汉果施用150 g硅肥能够显著提高光合能力，其干质量和皂苷V的含量分别提高10.6%和16.1%[15]；硅肥还可以促进苹果对微量元素的吸收，降低桃果缺素症发生，有效地改善果实品质[16]。

本研究以不同浓度硅素叶面喷施处理的‘红地球’葡萄树体，在成熟期采收测定果实总糖及可溶性固形物、总酸、Vc含量并且利用GC-IMS技术分析其挥发性物质种类与峰值，采用PCA和相似度分析方法对不同处理的‘红地球’葡萄进行区分。探究硅素对‘红地球’葡萄果实品质定向调控的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

参试品种为‘红地球’，2020年9月采自宁夏永宁县玉泉营葡萄基地。9年生，树形为倾斜独龙干，株行距为3.0 m×0.5 m，南北行向，树体长势基本一致，通风条件良好，常规农艺管理。

硅肥来源于淄博山佳硅铝新材料股份有限公司，琥珀色透明液体，有效含量为SiO2100 g/L。

初花期（5月中下旬和6月上中旬）对参试树体分别用清水（CK）、硅肥200倍（Si200X）、400倍（Si400X）、600倍（Si600X）进行全树喷施。各处理喷施一行（25株）。

1.2 方法

1.2.1 果实采样

标记主蔓粗度基本一致的4个处理所需标准树体各10株，在果实成熟期（9月6日）从每株的上、中、下部各采收1穗果，放入加冰保温箱中带回实验室，当日在室内剪下果粒（无果蒂）再次混样装入自封口PE袋（0.06 mm），入-18 ℃冰柜冻贮。

1.2.2 果实理化指标测定

从-18 ℃冰柜随机挑选各处理的‘红地球’果实15粒迅速进行品质测定。总糖采用蒽酮比色法测定；总酸用NaOH滴定法测定；Vc采用2,4-二硝基苯肼比色法测定；可溶性固形物用手持折光仪测定[17]。所用试剂均为AR等级。

1.2.3 果实挥发组分条件选择与检测

采用FlavourSpec®风味分析仪（G.A.S，Germany）。测试系统筛选条件：气相-离子迁移谱单元，分析时间为25 min；色谱柱类型，FS-SE-54-CB-115m ID：0.53 mm；柱温60 ℃；载气/漂移气，高纯氮气（99.999%）；IMS温度45 ℃。自动顶空进样单元，进样体积500 uL；孵育时间20 min，温度40 ℃；进样针温度85 ℃；孵育转速500 r/min。

气相色谱条件：离子传输管载气流速150 mL/min，色谱柱载气流速：0～2 min时为2 mL/min；2～10 min时，从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下维持25 min后分析结束[18-19]。试验时取混样果粒打浆，称取1 g进行挥发性组分测定，每组样品取3次作为平行样。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2016软件处理数据和作图；利用机载分析软件，包括LAV（Laboratory Analytical Viewer，LAV-Gallery Plot 2.2.0 software）和3款插件以及GC×IMS Library Search对挥发组分数据进行分析；热图采用TBtools软件绘制。

2 结果与分析

2.1 喷硅对‘红地球’葡萄果实品质指标的影响

总糖度、总酸度、Vc和可溶性固形物是衡量葡萄品质好坏的最重要指标。糖度高，总酸度适宜，Vc含量高是葡萄优质的重要表现[20]。

表1显示，高浓度硅素溶液处理下葡萄的总糖会明显增大，其中硅素200倍处理总糖含量最高，增幅达66.1%，400倍浓度处理下的总糖增幅为49.2%，而硅素浓度降低至600倍时对‘红地球’的总糖含量无显著影响。值得注意的是总酸会随着喷施硅素浓度的降低呈现升高趋势，200倍硅素处理下总酸与对照组相比无显著变化，而400倍和600倍硅素处理下总酸的增幅分别达17%、66.7%。Vc会随着处理浓度的降低而降低，并且所有处理组的Vc含量均低于对照组，分别降低10.8%、24.5%、28.8%。这说明硅素处理会影响到‘红地球’葡萄果实Vc的积累。随着喷施浓度的降低，‘红地球’葡萄果实中可溶性固形物含量呈现先增大后稳定的趋势，200倍处理下增幅为4.8%，而400倍处理下增幅为26.6%，此后基本维持不变。总体上，硅素的施用会明显影响‘红地球’葡萄果实品质。对理化指标进行综合考虑后可得出，用200倍的硅肥对‘红地球’葡萄进行叶喷处理对改善其果实品质较为理想。

表1 四种处理下葡萄果实品质Table 1 Quality of grape fruits under four treatments

2.2 喷硅对‘红地球’葡萄挥发性物质的影响

2.2.1 喷硅的‘红地球’葡萄挥发性物质指纹图谱

图1是从不同浓度硅素处理‘红地球’葡萄的指纹图谱中截取的差异显著的一部分。图中每一行代表一个样品部分信号峰，每一列代表同一挥发性有机物在不同处理样品中的信号峰。

图1 4种处理下葡萄果实中挥发性有机物的Gallery Plot图Figure 1 Galleryplot of volatile organic compounds in grape fruits under four treatments

从图1中可看出，随着喷施浓度的降低，‘红地球’葡萄中的挥发性组分浓度逐渐增大，并且有新的挥发性物质产生。叶喷200倍和400倍时，‘红地球’葡萄的风味物质变化不大；而施用600倍时，风味物质明显丰富。结合表2看出，与对照组相比，用600倍硅素喷施处理中乙酸乙酯、丙酸乙酯、3-甲基-3-丁烯-1-醇、乙酸正丙酯的峰体积分别增加2873%、454%、327%、237%，而另外两个处理组中除400倍处理导致丙酸乙酯峰体积增加了440%之外，其他处理导致的峰体积变化均较低，这表明高浓度的硅素反而会对一部分挥发性物质的产生造成抑制，也反映出丙酸乙酯是‘红地球’葡萄中较为耐高浓度硅素处理的挥发性物质。此外，乙酸乙酯可视为喷施硅素后‘红地球’葡萄中产生的特异性挥发物质，600倍硅素处理后，乙酸乙酯峰体积较对照增大近30倍，成为葡萄中第二大挥发性物质；随着喷施硅素浓度的降低，2-己烯-1-醇的峰体积从21 600.51降低到16 595.05，乙醛从9307.00降低到6709.63，但两者仍为葡萄果实中主要的挥发性成分，而乙酸丁酯峰体积减幅近一半，退出了主要挥发性物质行列。苯甲醛、乙醇、苯甲酸甲酯等成分在4个处理中峰体积差异较小，均低于16%，表明这4种物质对叶喷硅素处理方式并不敏感。

表2 果实挥发物质定性结果Table 2 Qualitative results of volatile matter in fruits

通过内置气相保留指数数据库与G.A.S的IMS迁移时间数据库进行二维定性，4种处理中共定性出32种挥发性物质（含二聚体）。由表2可知，‘红地球’葡萄中可定性分析出（包含二聚体）挥发性醛类8种、酯类12种、醇类9种、酮类2种以及杂环类1种。通过分析各类挥发物峰体积变化可得，在5类挥发性化合物中，酯类物质对喷硅处理最敏感，200倍、400倍、600倍硅素处理影响程度分别高达147%、677%和868%，表明600倍喷施即可显著影响酯类物质的提升，或显示出以酯类物质为主的呈香特点。醇类、醛类、杂环类挥发性物质受硅素影响次之。

2.2.2 硅素处理下‘红地球’葡萄挥发性主成分聚类分析

从图2中可以看出，清水、200倍、400倍硅素处理的‘红地球’葡萄聚类点距离相对较近，而600倍处理与前3种处理距离较远，因此可以将不同浓度处理下‘红地球’葡萄的挥发组分聚为两类。清水、200倍、400倍硅素处理组可聚为一类；600倍处理组可聚为一类。这说明同一品种、同等管理条件下，喷施不同浓度的硅素会对‘红地球’葡萄挥发性组分造成影响。同时硅素喷施浓度高于600倍时对‘红地球’葡萄挥发性组分影响较小。

图2 4种处理下葡萄果实中挥发性有机物的PCA分析Figure 2 PCA analysis of volatile organic compounds in grape fruits under four treatments

2.2.3 硅素处理下‘红地球’葡萄挥发性物质相似度分析

热图可更为直接看出不同处理‘红地球’葡萄挥发性成分之间的差异和区分度。橙色越深匹配度越高，表示相似程度越高，区分度越低；蓝色越深表示相似程度越低，区分度越高。由图3可知，4种浓度硅素处理的‘红地球’葡萄除与自身匹配度呈现橙色外，清水、200倍、400倍处理组之间匹配度也呈现浅橙色，但600倍处理组与其他几组处理间匹配度呈明显蓝色，这更加说明了叶面喷施200倍和400倍硅素时，葡萄中的挥发性有机物变化不大，而600倍喷施会使‘红地球’葡萄挥发性组分产生明显变化。

图3 4种处理下葡萄果实中挥发性有机物TBtools热图分析Figure 3 TBTools heat map analysis of volatile organic compounds in grape fruits under four treatments

3 讨论与结论

3.1 讨论

叶喷硅素下‘红地球’葡萄的内在品质发生了变化。600倍硅素处理不影响总糖，但总酸和可溶性固形物含量都明显增加。400倍硅素处理下总糖、总酸、可溶性固形物含量均呈增高趋势， 200倍硅素处理对总酸含量不造成影响，但总糖和可溶性固形物会提升。这与石彦召[20]、李磊[21]、张梅[22]、李小玲[23]等的研究存在部分相似。由此表明改善果实不同指标可采用不同浓度硅素进行喷施。

不同挥发性化合物因对硅素敏感性不同而会改变香气化合物的组成[24-25]。叶面喷施硅素使醇类整体占比不变；2-己烯-1-醇峰体积减小时正己醇、3-甲基-3丁烯-1-醇的峰体积增大，使醇类占比始终保持在挥发性物质首位。酯类占比受硅素的影响一度取代醛类居第二位，值得注意的是喷施200倍硅素时酯类物质占比居于醛类之下。

综上所述，叶面喷施硅素使得葡萄果实中一部分物质的含量发生改变。高浓度硅素处理会改善果实的理化品质并不会影响果实风味，低浓度硅素处理会使果实的挥发性物质更加丰富，但果实的理化品质会略有下降，可能低浓度的硅素喷施会利于‘红地球’的酸类物质或其前体物的积累，从而使得其挥发性物质的丰富度提高。

3.2 结论

对于‘红地球’葡萄，叶面喷施低剂量（600倍）的硅素时，果实中的部分风味物质含量提高，同时产生大量新的风味物质，包括乙酸乙酯、丙酸乙酯、乙酸异戊酯和3-甲基-3-丁烯-1-醇等，这表明600倍硅素叶喷处理更有利于‘红地球’葡萄风味的改善。叶喷200倍硅素时，葡萄的常规品质会得到相对改善，口感会更好，这也给鲜食葡萄品质定向提升提供参考。