Investigation and Evaluation of Soil Nutrients in Fruit Coconut Orchards in Hainan Province

LU Lilan, WANG Yuping, YIN Xinxing, HUANG Yingkai, FAN Haikuo

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2022, Vol. 38 ›› Issue (8) : 72-80. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0533

Investigation and Evaluation of Soil Nutrients in Fruit Coconut Orchards in Hainan Province

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Abstract

By investigating the soil nutrient status of main coconut orchards in Hainan Province and evaluating the soil fertility, the study aims to provide a basis for understanding the soil nutrient status of the coconut planting areas and the fertilization management in the province. Collecting the surface soil (20 cm) of coconut plantations in the northern (Haikou), eastern (Wenchang), southern (Sanya, Lingshui), central (Qiongzhong, Tunchang) and western (Changjiang) of Hainan, we determined soil nutrients and performed correlation and difference significance analysis. The results show that the pH of most survey sites is acidic; the coconut soil has high organic matter, NPK, calcium and magnesium content in central and northern Hainan, but low organic matter and NPK content in the coastal areas, especially in Wenchang. The three trace elements of copper, zinc and iron are not deficient in the survey samples; however, all the soil samples are deficient in B content. Through suitable fertilization and cultivation measures, the soil fertility level and fertility retention capacity of coastal areas in Hainan, such as Sanya, Lingshui, Wenchang and other places, could be improved to meet the needs of coconut growth and development; in addition, the application of B fertilizer should be enhanced in coconut orchards in Hainan Province.

Key words

Hainan / coconut / membership function / soil fertility / soil quality evaluation

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LU Lilan , WANG Yuping , YIN Xinxing , HUANG Yingkai , FAN Haikuo. Investigation and Evaluation of Soil Nutrients in Fruit Coconut Orchards in Hainan Province. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2022, 38(8): 72-80 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2021-0533

0 引言

雪茄烟是一种特殊烟草制品，通常是由雪茄烟叶通过全手工卷制的方式制作而成[1]，雪茄烟的质量与风格通常由雪茄烟叶的质量与风格决定。雪茄烟一般具有香气浓郁、风味特征明显、风味变化丰富等特点[2]。近年来国产雪茄发展迅速，随着雪茄消费市场的扩展，国产雪茄烟叶品质需求提高，为此国家局也启动了国产雪茄烟叶开发与应用重大专项，深入研究优质国产雪茄烟叶的生产与应用，为国产雪茄烟提供助力。
发酵是雪茄生产过程中的重要环节，同时也是影响雪茄烟叶风味物质的组成和含量关键因素。目前针对国内雪茄烟叶发酵的研究已有一定进展，但对发酵风味物质的相关研究相对较少。围绕国产雪茄烟叶生产需求，亟需明确表征不同发酵条件下雪茄烟叶质量的关键风味物质指标，以期进一步提高雪茄烟叶的工业应用价值。因此，本研究对国内外雪茄烟叶不同发酵条件下产生的风味物质分析研究进行了总结，提出展望和建议，为国产雪茄烟叶研究和明确风味物质关键质量指标提供思路和参考。

1 雪茄烟叶发酵研究进展

雪茄烟叶在经过发酵处理后，烟叶中的大分子物质在微生物和酶的作用下发生进一步的分解转化，香气物质凸显，吃味醇和，烟气的舒适细腻度，燃烧性有所改善[3]。同时，烟叶中的大分子物质转化降解后产生各种风味物质，这些风味物质决定了雪茄烟的典型风格[4]。

1.1 雪茄烟叶发酵机理

早在19世纪50年代就已经开始对烟叶发酵机理进行研究，主要有氧化作用[5]、微生物作用[6]、酶作用[7⇓-9]3个方面的假说，3种作用和烟叶自身物质结合构成了发酵的全过程，但3种作用是否全部参与发酵过程以及哪种起到主导作用，目前并没有一个确切的结论[10]。近年来，雪茄烟叶发酵机理研究通常是研究不同发酵条件下烟叶的化学物质组成、微生物群落演替规律、代谢组成等，随着科技的不断发展，基因组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学的不断完善，发酵机理研究更加深入，逐步从化学成分转向微生物群落。传统微生物分离分析方法发现雪茄烟叶的优势菌株是芽孢杆菌属[11-12]，利用高通量测序技术则发现葡萄球菌属、假单胞菌属等为优势菌属，说明传统分离培养方法可能存在一定的局限性，利用基于细菌16SrRNA基因及真菌rRNA基因间隔区区域的高通量测序技术研究雪茄烟叶，分析烟叶微生物群落的多样性，能够全面、准确地掌握微生物菌群结构，明确优势菌群。在雪茄烟叶发酵过程中，微生物群落存在多样性和动态变化，叶长文等[13]分析来自不同产区的雪茄烟叶中细菌和真菌的群落结构，共检出360个细菌属和49个真菌属，不同烟叶中细菌和真菌群落多样性和结构存在显著差异，这可能和不同产区雪茄烟叶的风格特征不同有一定联系。有学者发现在发酵起始阶段主要以葡萄球菌属为主，随着发酵的进行，则是以假单胞菌属为优势菌属[14-15]。目前国内外通过高通量测序技术完成了雪茄烟叶发酵过程中微生物组成多样性和变化的基础研究，但是缺乏微生物活性表达谱信息，未来将各种组学技术应用于雪茄烟叶发酵，能够更加系统深入分析雪茄微生物基因转录、蛋白表达和代谢响应，全面解析雪茄烟叶发酵机理。

1.2 雪茄烟叶发酵方法

雪茄烟叶一般经过2次发酵，第一次是农业发酵（一次发酵），第二次是工业发酵（二次发酵）。目前国内雪茄烟叶发酵方法主要包括自然醇化和人工发酵。自然醇化所需的时间较长，空间占用较大，在实际应用中不够灵活，经济性较差；人工发酵则具有时间短、空间占用小、周转速度快，经济性好等优点[16]。人工发酵主要包括堆积发酵、装箱发酵、压力发酵、介质发酵等方法。国内雪茄工业企业主要采用人工发酵的方法进行烟叶发酵[17]。

2 雪茄烟叶风味物质研究

风味是人体在品尝过程中味觉、嗅觉和三叉神经感觉相互作用所产生的综合感受，风味感知是一个复杂的过程，香气和味道在风味感知过程中具有重要作用[18]。风味物质是决定雪茄产品风格特征的关键因素之一，与产品质量紧密相关。目前雪茄烟叶风味物质研究以掌控风味物质基础为目标，围绕风味感知机理、分析方法、风味物质分类等开展研究。

2.1 风味感知机理研究

风味感知是一个复杂的过程，依赖于不同感官形式的多种组合，如物理感觉、化学感觉和心理感觉[19]。香气和味道是风味感知的重要影响因素，不仅以独立的方式影响风味表现，同时也通过跨模态感知交互作用增强或者改善风味感知。在风味感知过程中，每种感官都能与不同类型的化学刺激相互作用，或通过神经相互作用调节其他感官的反应，从而提供风味特征。近年来，国内外对于风味的相关研究大多集中在食品风味上，主要包括食品质地、香气、味道及三者相互关系等方面的研究。从文献调研结果来看，风味感知的机理研究主要集中在味觉感知、嗅觉感知及味觉嗅觉相互作用等方面。
一般认为，常见的味觉有酸味、甜味、苦味、咸味和鲜味，在口腔中分别有对应的味觉感受器细胞，也就是味蕾，在口腔中分布广泛。当食物进入口腔后，被味蕾细胞感受到，味觉信息被传到中枢神经系统，连接味觉皮层，经味觉皮层处理后形成味觉感知[20]。而嗅觉感知有2个途径，一个是正鼻途径，另一个是鼻后途径，正鼻途径是挥发性物质与嗅觉受体结合，产生的电信号传导至大脑皮层，形成嗅觉感知；鼻后途径是气味物质通过后鼻腔传至嗅觉受体细胞，产生嗅觉感知[21]。虽然嗅觉感知和味觉感知的受体不同、神经通路也不同，但是风味感知却是2种感知相互作用的结果。食物的非挥发性物质激活味觉受体，而挥发性物质激活嗅觉受体，产生的电信号传至大脑，经过风味整合后形成风味体验[19]。

2.2 风味物质分析方法

风味物质分析及检测主要包括感官评价和仪器分析两种手段。定量描述分析是感官评价的重要方法，一般由若干名专业人员组成评价小组对样品进行整体香气评价，并进行特征描述，同时根据样品的贡献度进行打分，最后通过统计结果绘制雷达图，通过香气来区分不同样品的特点和优劣[22]。
仪器分析包括风味物质的前提取和仪器检测。前提取方法依据提取原理不同可分为顶空法、蒸馏法、吸附法和溶剂萃取法4种类型，顶空法包括静态顶空、动态顶空等；蒸馏法包括同时蒸馏萃取、溶剂辅助风味蒸发等；吸附法包括固相微萃取、搅拌棒吸附萃取等；溶剂萃取法包括液-液萃取、固相萃取等[23]。风味物质提取后需要进行分析检测，常用的仪器检测方法包括气相色谱法、气相色谱-闻香法、气相色谱-质谱联用法、全二维气相色谱法、气相色谱-嗅闻-质谱联用法、全二维气相色谱-质谱联用法以及气相色谱-离子迁移率光谱法等[24]。
随着科技的不断进步，分析方法也不断更新换代。近年来，组学技术在风味物质分析中应用越来越广泛。主要运用的分析方法包括香气活度值、聚类分析、主成分分析、正交偏最小二乘法判别分析等[22]。通过对风味物质的分析鉴定检测，了解风味物质的贡献度和相应的影响机制，能够更加深入地理解风味物质的作用机制。

2.3 雪茄烟叶风味物质分类

雪茄风味物质的种类、含量及组成比例是决定雪茄风味的重要内容。一般认为，好的雪茄烟叶具有丰富的风味，如古巴的雪茄烟叶有植物风味、香料风味、花香风味、水果风味、坚果风味、烘焙风味等特征，并且具有很高的风味浓度和辨识度[25]。不同产地的雪茄烟叶风格特征不同：古巴的雪茄烟叶香气丰富、烟气浓度高、香气浓郁，并略带胡椒味；多米尼加的雪茄烟叶以口味爽滑、温和著称，口感较为丰富、醇和；洪都拉斯的雪茄烟叶口感更为浓烈，以浓烈、辣味和芳香闻名于世[26]。造成不同产地雪茄烟叶风格特征差异的主要因素是烟叶的风味物质的种类、含量和组成比例的不同。挥发性香气物质是雪茄烟叶风格特征的重要物质基础，雪茄烟叶中挥发性香气物质大部分含量较低，但对于雪茄风味的表现有重要作用[27]。目前雪茄烟叶中的香气物质已检测出上千种[28]：按官能团分类，可分为醇类、酯类、酮类、醛类、酸类、芳香族、杂环类和其他；按前体物的不同分类，可分为棕色化反应产物、苯丙氨酸降解产物、类胡萝卜素降解产物、西柏烷类降解产物和叶绿素降解产物[29]。国内外关于雪茄烟叶香气成分的研究还比较少，对现有的研究进行统计汇总，如表1所示[29⇓-31]。
表1 雪茄烟叶中香气物质
香气物质 风格特征
西柏烷类降解产物 茄酮 青香，干草香
苯丙氨酸类转化产物 苯甲醛 杏仁气息、青香
苯甲醇 花香、青香
苯乙醇 青香、花香
苯乙醛 青香、果香
棕色化反应产物 糠醛 焦甜、烤香、坚果香
糠醇 烤香、烘焙香和坚果香
5-甲基糠醛 烤香、烘焙香和坚果香
3,4-二甲基-2,5-呋喃二酮 焦糖
2-乙酰基吡咯 坚果、花香
戊醛 刺激性气味
异戊醛 药草、水果香
2-甲基丁醛 可可香、咖啡香、果香
2-庚酮 果香、奶酪及轻微的药香
吡嗪 焦香、烘烤香
吡咯 果仁和酯类暖的甜果味
2-乙酰基呋喃 甜、坚果
3-乙酰基吡啶 花生和坚果似香气，爆米花香
2,6-壬二烯醛 青香、黄瓜气息以及清凉感
2,3′-联吡啶 烤香、烘焙香和坚果香
类胡萝卜素降解产物 芳樟醇 青香、果香
氧化异佛尔酮 烘烤坚果香、咖啡、肉香
4-乙烯基-2-甲氧基苯酚 香辛料、丁香和坚果香
β-大马酮 蜂蜜、甜香
香叶基丙酮 青香、果香
6-甲基-5-庚烯-2-酮 青香、草香
巨豆三烯酮1 干草香、甜香
巨豆三烯酮2 烤香
巨豆三烯酮3 花香、甜香、粉香
巨豆三烯酮4 烤甜香
3-羟基-β-二氢大马酮 烟叶本香、花香、果香
柠檬醛 青香、辛香
β-环柠檬醛 凉香、果香和清香
α-紫罗兰酮 花香，木香，果香
β-紫罗兰酮 紫罗兰花香，柏木香
异佛尔酮 薄荷香，樟脑样味
4-氧代异佛尔酮 烟草香、木香、茶香味
6-甲基-3,5-庚二烯-2-酮 甜香、果香、酮香、青香、木香
α-大马酮 花香，果香
6-甲基-5-庚烯-2-醇 青香，柑橘的气息
二氢猕猴桃内酯 奶香、果香
愈创木酚 特殊芳香
β-二氢大马酮 花香、甜香、果香
藏花醛 青香、清凉感
叶绿素降解产物 新植二烯 清香气且刺激性较强
植醇 弱的花香和香脂香气
国外参考葡萄酒的风味分类对雪茄的风味进行了分类，将雪茄烟叶风味类型分为植物风味、药草风味、泥土风味、水果风味、坚果风味、花香风味、其他风味以及非风味类特征共8类（图1）[32]。雪茄烟叶的风味类型不是单一的香气物质决定的，而是由一系列具有相应香气表现的香气物质组成。贺佩等[27]研究发现反式-橙花叔醇、α-松油醇、芳樟醇对花香风味贡献较大，γ-丁内酯、辛醛对果香风味贡献较大，间二甲苯、2-乙酰基呋喃对坚果香贡献较大。研究者通过分析评价巴西、多米尼加、印尼、海南、四川等几个产区的雪茄烟叶，发现风味差异为水果、花香和坚果风味[25]。
图1 雪茄风味轮盘图

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3 不同发酵条件下风味物质研究

目前关于雪茄发酵的研究主要是人工发酵，即在人的干预下，通过调节不同的温度、湿度和发酵时间，进而缩短发酵周期，提高经济效益。雪茄烟叶的质量在一定程度上受发酵的质量决定，影响烟叶发酵的因素有很多，包括温度、湿度、发酵时间和发酵介质等。

3.1 不同温湿度条件发酵风味物质研究

在雪茄烟叶发酵过程中，环境条件是一个重要的因素，雪茄烟叶内部无机物的氧化和雪茄烟叶中的微生物和酶的催化都需要适宜的条件，其中对雪茄烟叶发酵影响最大的是温度和湿度。
乔保明等[33]的研究结果指出，发酵温度在50℃左右时，风味物质积累充足，风格特征明显，香气丰富；贾云等[34]在发酵过程中设置3个温度，分别研究了恒温发酵和变温发酵对雪茄烟叶品质的影响，发现低温恒温发酵有利于叶绿素降解产物、类胡萝卜素降解产物和西柏烷类降解产物的生成，变温发酵中低-中-高实验组香气物质显著高于其他发酵组，提高香韵丰富度和感官质量；有学者设置了20℃、27℃和34℃ 3个温度梯度进行发酵雪茄烟叶，结果表明在发酵时间达到28 d时，烟叶的类胡萝卜素降解产物、苯丙氨酸类降解产物等香气物质含量随着发酵温度的升高逐渐增加，香气物质总量也随之增加[35]。
王洁等[36]研究了在发酵过程中环境湿度对雪茄烟品质的影响，结果表明发酵过程中随着湿度的升高，烟叶中质体色素含量逐渐升高，烟叶内部化学成分转化程度也随之升高，但当相对湿度过高时，糖类等化学物质降解过度，使烟叶刺激性增大，且容易发生霉变，烟叶的可用性降低。

3.2 不同发酵时间下风味物质研究

张锐新等[37]研究发现随着发酵时间的增加，雪茄烟叶中致香物质先升高再降低，常规化学成分呈下降趋势；发酵时间过长时，雪茄烟叶香气物质下降，不利于烟叶品质提升。还有研究发现，苯丙氨酸降解产物苯乙醛、苯乙醇、苯甲醇和西柏烷类降解物质茄酮等香气物质含量在发酵14 d左右达到峰值，随着发酵时间的增加含量逐渐减少，而类胡萝卜素降解产物和棕色化反应产物β-大马酮、巨豆三烯酮、5-甲基-2-糠醛等香气物质总含量则在发酵21 d左右达到最大值，烟叶发酵14~21 d时香气物质总量最高[38]。

3.3 不同发酵介质条件下风味物质研究

国内外关于在雪茄发酵过程中添加介质已有相关研究，主要包括添加天然植物提取物、微生物、酶制剂等。在雪茄烟叶发酵过程中添加发酵介质，可以明显改善烟叶品质，提高发酵质量，增加风味物质，改善雪茄烟叶工业可用性。

3.3.1 天然植物提取物

发酵雪茄本身是一种植物，在雪茄烟叶发酵过程中添加植物提取物可改善发酵品质，提升风味物质含量。李凌等[39]在雪茄发酵过程中添加丁香提取物、绿茶提取物和米酒，结果表明：丁香提取物发酵后烟叶中类胡萝卜素类物质含量显著提高；绿茶提取物发酵后烟叶中茄酮含量增加，香气量明显提高；米酒发酵后烟叶中的糠醛等棕色化物质含量提高。研究者在雪茄发酵过程中添加糊米水，经过检测后发现，发酵后烟叶与发酵前烟叶对比，类胡萝卜素类（巨豆三烯酮类）和西柏烷类（茄酮）物质含量显著增加，主要原因是糊米水具有较高的淀粉糖类物质，为烟叶中微生物的生长和生化活动提供了优良的环境，使得烟叶中风味物质含量增加，烟叶品质得到改善[40]。研究者在雪茄发酵过程中添加川贝母、枇杷、咖啡、可可、生姜、红景天和小茴香等天然提取物，发现随着发酵时间的增加，雪茄烟叶风味物质含量总体上呈现先增加后降低的趋势，在发酵时间达到21 d时，风味物质含量达到最高，其中醇类、烯类和酯类物质含量比发酵前含量得到提高，酮类物质比发酵前提高了20%左右，新植二烯含量也在21 d左右达到最大值，烟叶的感官品质因此得到提升[41⇓⇓-44]。

3.3.2 微生物发酵

不同产地雪茄烟叶的风味及微生物群落组成不同，雪茄烟叶的风味与微生物群落具有密切的相关性[45-46]。自然状态下雪茄烟叶中含有大量微生物，一些微生物在发酵过程可以产生与风味相关的香气物质[47]，在发酵过程中人为添加微生物可以改变烟叶的微生物群落，调控优势菌群，以满足工业需求。在烟叶发酵中添加微生物还具有加快发酵进程、协调化学成分、增加香气含量和改善吸食品质等作用[48]。早在19世纪50年代，就有利用微生物对雪茄烟叶进行发酵，以此增加雪茄烟叶的风味物质和香气的研究。目前已报道的用于烟草发酵的微生物主要有芽孢杆菌属[49⇓⇓⇓⇓-54]、克雷伯氏菌[55]、白地霉[56]、小球菌[57]、安琪酵母[58]和米根霉[59]等。在过去烟叶发酵中利用微生物的相关研究中，大都是添加一种微生物，通过感官评价发现烟叶的品质提升，没有进一步进行分析。随着科技的进步和相关仪器设备的发展，关于微生物发酵有了更加系统的研究。近年来，研究者从雪茄烟叶表面筛选出具有一定作用的微生物菌株，在雪茄发酵过程中进行添加，一定程度上改变了烟叶的微生物群落结构，发酵后烟叶类胡萝卜素降解产物、新植二烯、茄酮等香气物质的含量均得到提高，风味物质得到提升，感官品质有一定改善[60⇓⇓⇓-64]。还有部分学者从药材、酒类发酵中筛选出一些微生物添加到烟叶中，具有提升雪茄风味物质的作用。如张倩颖等[65]发现利用冬虫夏草菌株发酵烟叶后，烟叶的类胡萝卜素降解产物、新植二烯、茄酮等西柏烷类降解产物含量显著提高，发酵后烟叶中的香气量得到提高。有学者应用9种不同的产香酵母进行发酵雪茄烟叶，发现葡萄牙棒孢酵母、费比恩塞伯林德纳氏酵母、纤维酵母、酿酒酵母和鲁氏酵母对花香风味贡献较大，葡萄牙孢汉逊酵母J1、J4和巴氏毕赤酵母P3对果香风味有较大贡献[66]。

3.3.3 酶制剂发酵

酶也是影响发酵的重要因素，在发酵过程中添加酶制剂具有协调烟气化学成分、增进香气成分含量、改善吸食品质等作用[48]。目前国内外关于利用酶制剂进行发酵烟叶的相关研究主要集中在烤烟方面，针对雪茄烟叶应用酶制剂进行发酵的研究相对较少，已有纤维素酶[67]、氧化酶[68]、淀粉酶[69]、果胶酶[70]和蛋白酶[71⇓-73]等在烟叶中应用的报道。大多数研究通过添加一种酶制剂，利用酶在烟叶中对大分子物质降解的作用转化成香气物质，提升烟叶品质；还有部分学者利用复合酶制剂发酵雪茄烟叶，发酵后烟叶棕色化反应产物、类胡萝卜素降解产物和苯丙氨酸转化产物含量增加，烟叶的香气物质总量明显提高，说明了复合酶制剂可以促进香气前体物分解，加速酶促反应，提高化学成分协调性，改善感官质量[74-75]。

4 展望

风味物质种类、含量既对雪茄烟叶品质有影响，又是造成雪茄烟叶风格差异的原因。雪茄烟叶的风味受到品种、环境、栽培、发酵等因素的影响，不同产区的烟叶风格特征不同，同时也会存在一定的质量缺陷，发酵作为改善烟叶品质的一种手段，提高了烟叶的工业可用性。
现有的发酵技术包括添加天然植物提取物、微生物和酶制剂等，能够优化发酵工艺，改善品质，提高烟叶使用价值，但是对于发酵机理研究尚不明确，微生物之间的相互作用及其形成风味物质的原因，至今知之甚少。另外对于烟叶本身的微生物菌群的研究还处于起步阶段，微生物和酶之间的作用尚不明确，发酵中添加微生物和酶制剂的安全性评价尚未建立。雪茄烟叶风味的物质基础尚不清晰，香气物质的风味特征与风味物质，及其对人的感官体验之间的联系机制研究不够深入。今后建议把风味组学与现代测试、分析技术相结合，多维度加强雪茄烟叶风味组学分析和研究；加强利用雪茄烟叶自身原有的物质发酵研究，有效利用废弃烟叶资源，减少安全性问题；深入研究雪茄风味物质基础，阐明香气物质对雪茄风味的贡献；掌握表征不同发酵条件下雪茄烟叶质量的关键风味物质指标，找出代表性雪茄发酵支撑条件。通过这些研究工作的开展，为雪茄风味研究提供理论支撑和参考。

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