石墨烯材料处理对辣椒果实品质的影响

李 鹏，姜 丹，龚意辉，陈致印，戴思慧

（1 湖南农业大学园艺学院，湖南长沙 410128；2 湘潭市农业科学研究所，湖南湘潭 411134；3 湖南人文科技学院农业与生物技术学院，湖南娄底 417000）

辣椒（Capsicum anmuumL）原产于拉丁美洲，于唐代末年经丝绸之路进入我国，在我国云南、四川、湖南等地进行大面积种植。辣椒作为典型的调味作物，富含丰富的辣椒素与维生素，其独特的刺激性味感，使得其成为全世界最受欢迎的调味料之一，被称为“红色药材”[1]。据世界作物和经济组织统计，现如今辣椒种植遍布世界各地，年产量可达3700 万t，带来了巨大经济效益（约800 亿元）[2]。辣椒作为日常蔬菜，果实富含Vc、辣椒素等多种营养物质。经常食用鲜辣椒可以有效降低冠心病及癌症的发病率，并且起到抗氧化衰老的作用[3]。此外，辣椒果实富含丰富的β-胡萝卜素、铁、钙等物质，可以有效减少患坏血病、骨质疏松等慢性病的风险[4]。

温度是影响辣椒果实品质的重要因素之一，适宜的温度可以增加植物体内物质扩散，促进新陈代谢。辣椒性喜温暖，对温度反应敏感，≤15℃生长发育受阻，10℃时光合作用停止，≤10℃会发生冷害[5]。低温胁迫下辣椒株高和茎粗增长缓慢，根系的总长度和体积也会减少，干物质积累减少，果实的糖积累及其相关代谢酶活性下降，果实品质降低[6]。随着市场需求的逐渐增加，辣椒反季节种植开始占据一席之地，但由于气候因素带来的低温环境，使得反季节辣椒在果实品质上存在一定的缺陷。因此，选取合适的材料应用于反季节辣椒栽培领域具有重大意义。近些年，石墨烯凭借优秀的传热与控温能力，逐渐从纳米材料中脱颖而出，进入人们的视野，石墨烯在蔬菜方面的应用较少。因此，深入研究石墨烯对辣椒生长的影响及其作用机理，对拓展石墨烯应用到农业领域具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2020 年8 月3 日至2020 年12 月10 日，在湘潭市农业科学研究所进行，试验设置2 个大棚，大棚规格为44m×8m，一个大棚内3 次重复。设计了2组处理，悬挂石墨烯和空白对照。辣椒果实生长发育期共采摘4 次，每个小区随机选取生长良好的辣椒进行测定。小区产量和单株产量均在收获时进行测定。单果重由分析天平测量。测定辣椒果实Vc、可溶性蛋白、可溶性糖等品质指标。

1.2 试验材料

试验在湘潭市农业科学研究所蔬菜种苗中心进行，供试作物为辣椒，品种为“丰抗21”，该种子由湖南湘研种业有限公司培育。该品种具有抗病性强的特点，适合在大棚栽培。悬挂的石墨烯由湖南烯源新材料科技有限公司提供。地膜覆盖材料由山东亿德塑业有限公司提供，基质由山东鲁青基质提供，漂浮育苗盘由湖南湘晖农业技术开发有限公司提供，规格为120 孔。

1.3 试验方法

1.3.1 Vc 含量测定。采用钼蓝比色法[7]。将辣椒果实洗净后置于-80℃液氮保存6h 后，取3g 置于液氮罐中保存，提前将研钵冰浴，将果实样本置于研钵中研碎，得到的粉末用草酸溶液反复冲洗定容至50mL，此时得到的为Vc 提取液。将提取液静置20 min 取上清液10mL 1500g 4℃离心10min，得到纯净上清液后，先加入乙酸0.5mL，待其反应30s 后加入浓硫酸1mL，充分震荡均匀，最后加入钼酸铵，30℃水浴20min，将紫外分光光度计调至760nm 处记录OD 值。

1.3.2 硝酸盐含量测定。采用分光光度法[8]。称取液氮冷冻后的辣椒果实样本2g，置于冰浴研钵充分研磨后，置于20mL 的玻璃试管中，加入10 mL 去离子水，随后置于水浴锅中80℃加热30min，加热过程中每隔3 min 搅拌1 次。加热完毕后，置于通风处冷却至室温，取上清液10mL，加入5mL 亚铁氰化钾和5mL 乙酸锌溶液，待蛋白质与乙酸反应后过滤残渣，剩余的为硝酸盐提取液。吸取200μL 提取液于石英比色皿中，加入30μL 氨基苯磺酸显色，于538nm 处测量其吸光值。

称取制成匀浆的辣椒样品5g，加入12.5 mL 饱和硼酸溶液，在沸水浴中提取出硝酸盐，提取液中加入5mL 亚铁氰化钾和5mL 乙酸锌溶液，待其混匀后静置一段时间，去除沉淀蛋白及脂肪，过滤后取上清液，在弱酸性条件下硝酸盐与氨基苯磺酸和盐酸萘乙二胺显色，于波长538nm 处分光光度法测得硝酸盐含量。

1.3.3 可溶性蛋白含量测定。采用考马斯亮蓝G-250染色法[9]。取液氮冷冻的辣椒果实3g，加入生理盐水冰浴研磨，冰浴研磨过程加入液氮以防止蛋白质变性，随后置于冷冻离心机20min，即可得到提取液。取200 μL 上清液于石英比色皿中，加入500μL 考马斯亮蓝G-250，反应30s 后，置于紫外分光光度计595nm 下记录ΔA1，待反应3min 后，记录ΔA2，A2-A1 的值带入标准曲线即可计算可溶性蛋白含量。

1.3.4 可溶性糖含量测定。采用蒽酮法[10]。将辣椒果实洗净后置于-80℃液氮保存6h 后，取5g 置于液氮罐中保存提前将研钵冰浴，将果实样本置于研钵中研碎，导入2mL 离心管中，加入1.5mL 去离子水，充分混匀，1500g 离心10min 后，置于沸水中水浴30min，待水浴完成，转移至25mL 容量瓶，清洗烧杯至全部提取液转移。静置一段时间后，取上清液0.5mL，加入1.5mL 去离子水，震荡均匀后加入0.5mL 5%蒽酮，待反应显色后加入5mL 5%硫酸，紫外分光光度计下630nm 处检测吸光值。

1.3.5 果实产量及品质测定。待辣椒果实生长发育成熟时，全部收获，记录悬挂石墨烯和空白对照处理的辣椒的单株果实数量和单株产量。每个处理重复3 次。用直尺测量纵径（果实长度），用游标卡尺测量横径（果实宽度）。用日本岛津分析天平秤测定辣椒果实的单果重。通过横径和纵径计算果形指数。

1.4 数据处理

采用Excel 2019 进行实验数据的统计以及整理，利用Origin 19 进行绘图处理，利用SPSS 17.0 进行单因素方差分析确定差异性。

2 结果与分析

2.1 石墨烯对辣椒果实表形的影响

由图1 可知，石墨烯对辣椒果实在不同时期的果实表形影响的照片，可以清楚地看出，经石墨烯处理后，辣椒果实体积及长度均大于对照组，尤其在红熟期可以明显看出，经石墨烯处理的辣椒果实色泽更加红润透亮，形态笔直。因此，悬挂石墨烯材料可以提高辣椒果实的表形品质，赢得更广泛的市场需求。

图1 石墨烯对辣椒果实表形的影响

2.2 石墨烯对辣椒果实产量及果形的影响

由表1 可知，比较不同处理下的辣椒单株果实数可以发现，石墨烯处理下辣椒果实产量与对照组差异性不显著（P＞0.05），分别为2.43 与2.45。单果重石墨烯处理组高于对照组3.08g；单株产量石墨烯处理组高于对照组10.15%，总产量相差不大。从果形指数上来看，石墨烯处理后的为6.00，略低于对照组处理，但石墨烯处理增加辣椒果实横径和纵径的长度。总体来看，石墨烯处理对辣椒果实产量及果形指数影响不大。

表1 石墨烯对辣椒果实产量及果形指数的影响

2.3 石墨烯对辣椒果实Vc 含量的影响

由图2 可知，在果实生长发育过程中，辣椒果实中Vc 的含量先呈上升趋势，在破色期后呈下降趋势，这是由于果实逐渐成熟后，体内的相应生理活动消耗了部分Vc。石墨烯处理增加了辣椒果实的Vc 含量，但在果实处于幼果期至绿熟期时，石墨烯处理辣椒的果实Vc 含量与CK 处理间差异并不显著。直至破色期，石墨烯处理下辣椒果实的Vc 含量达到最高值，为159.65 mg/100g，较CK 处理增加了11.66%。之后开始出现下降趋势，红熟期辣椒果实Vc 含量为122.35 mg/100g，但依然高于对照组含量。因此，石墨烯处理显著提高了辣椒果实Vc 含量（P＜0.05）。

图2 石墨烯对辣椒果实Vc 含量的影响

2.4 石墨烯对辣椒果实可溶性糖含量的影响

由图3 可知，在果实发育期，辣椒果实可溶性糖含量呈上升趋势。石墨烯处理在整个果实坐果周期内可溶性糖含量都呈稳定的上升趋势，直至红熟期果实完全成熟，达到22.51 mg/g。对照组增长趋势与处理组相同，也是由最初的8.52mg/g 增长至21.17mg/g，其可溶性糖含量在成熟初期低于石墨烯处理，成熟后期与处理组相近，这可能是辣椒果实自身的可溶性糖含量达到了饱和值的缘故，具体的机理还需要进一步研究。因此，石墨烯处理可以增加辣椒果实在成熟期的可溶性糖含量，但在成熟后期效果不明显。

图3 石墨烯对辣椒果实可溶性糖含量的影响

2.5 石墨烯对辣椒果实可溶性蛋白含量的影响

由图4 可知，不同处理下辣椒果实的可溶性蛋白含量均随处理时间的延长呈现不同程度的先升高后降低的趋势。在幼果期至绿熟期内，处理组与对照组果实可溶性蛋白含量相差不大，直至破色期，石墨烯处理组可溶性蛋白含量出现大幅增长，由17.54mg/100g提高至62.19mg/100g，而此时的对照组含量仅为34.51mg/100g，其含量接近对照组的2 倍，随后二者都开始出现下降趋势。总体来看，石墨烯处理辣椒果实中可溶性蛋白质含量在4 个时期均高于对照，在成熟期成为明显。因此，石墨烯处理可以显著提高辣椒果实可溶性蛋白的含量（P＜0.05），增加植物体内新陈代谢速率，提高果实品质。

图4 石墨烯对辣椒果实可溶性蛋白含量的影响

2.6 石墨烯对辣椒果实硝酸盐含量的影响

由图5 可知，各处理辣椒果实的硝酸盐含量随着果实的生长发育和胁迫方式的不同呈现不同的趋势。整体来看，硝酸盐在辣椒果实内呈现较高的水平，基本维持在120mg/kg 以上，石墨烯处理组在整个果实发育期间与对照组硝酸盐含量差距不大，在绿熟期至破色期低于对照组，且整个发育周期内果实硝酸盐含量变化不大，是因外源处理方式无法接触辣椒果实导致的。因此，可以看出石墨烯处理抑制了辣椒果实体内硝酸盐的含量增长，但效果不显著。

图5 石墨烯对辣椒果实硝酸盐含量的影响

3 讨论

目前，国内外对石墨烯应用于辣椒栽培领域的研究较少。研究结果表明，悬挂石墨烯设备增加了辣椒果实内可溶性糖、可溶性蛋白、Vc 等含量，提高了辣椒的体积与产量，这与以往的研究结果一致。姚东伟[11]研究发现，番茄成熟期施加氧化石墨烯，能够有效提高果实Vc 含量，降低硝酸盐浓度，延长果实保鲜周期。同样，石墨烯喷施苹果后可以显著增加单果体积及重量，增产率可达18%，同时石墨烯促进了苹果果实内花色苷的合成，着色系数显著增加[12]。常海伟等[13]提到，低浓度的石墨烯可作为一种细胞生长因子发挥作用，能够触发细胞分裂和增殖，从而提高果实硬度。Dev A 等[14]用石墨烯纳米溶液处理番茄叶片，观察到了线粒体细胞器的数量增加，以及充分膨胀淀粉粒在叶绿体中的积累，这可以解释为光合作用速率的增加，导致碳水化合物以巨大淀粉粒的形式在叶绿体中积累，因此，在植物果实成熟期可以积累大量的碳水化合物。果实细胞中石墨烯能够促进碳固定碳源，从而诱导糖代谢，使处理的植物果实中的果糖、蔗糖和淀粉逐渐增加。胡晓飞等[15]在树莓苗期加入外源石墨烯后发现，石墨烯不仅增加了树莓的株高，同时也提高了开花坐果率，产量是对照组的1.46 倍。石墨烯不仅能够促进植株生长，其良好的控温作用也会增加大棚室温，为作物生长提供适宜环境。

4 结语

针对目前反季节辣椒低温胁迫问题，课题组结合国内外研究案例，利用悬挂石墨烯，将石墨烯用于辣椒生长的培养过程。研究记录了悬挂石墨烯对果实的影响及机理，所得结论如下：在石墨烯处理条件下，辣椒果实可溶性糖、可溶性蛋白、Vc 含量增加，硝酸盐含量降低，产量及果形指数无明显变化，果实颜色明显加深，体态增大。表明悬挂石墨烯有利于提高反季节辣椒种植的产量及果实品质，同时还可以减少生产成本，可为石墨烯薄膜在植物温室种植领域实践提供一定的技术理论支撑。