湖南省4个薄壳山核桃品种果实形态和品质变化规律
王艺颖，周文君，卢 琨，曾淑珍，袁 军
（中南林业科技大学 a. 经济林培育与保护教育部重点实验室；
b. 食品科学与工程学院，湖南 长沙 410004）
薄壳山核桃Carya illinoinensis又名长山核桃、碧根果、美国山核桃，为胡桃科Julandaceae山核桃属CaryaNutt的一种落叶乔木[1]。树形高大通直，树姿优美，木材纹理细腻，可提供优质木材，亦可作庭院栽培的观赏树种和绿化的行道树种。薄壳山核桃具有壳薄、果大、出仁率高、果仁口感松脆、营养丰富等特点。在胡桃果树中品质最佳，是世界上著名的干果油料树种之一。薄壳山核桃果仁能提取山核桃油，富含不饱和脂肪酸、氨基酸和矿物质等营养物质，种仁含油率介于51%～69%之间。成熟的山核桃含有65%～75%的脂类，不饱和脂肪酸总量在90%以上，主要包括油酸、亚油酸和亚麻酸等[2]。
薄壳山核桃原产于美国和墨西哥，在中国也有广泛引种栽培[3]，目前已在我国22个省（区、市）进行引种栽培，其中在云南、浙江、安徽、江苏等省份得到了大面积的推广种植[4-5]。随着薄壳山核桃在我国的快速发展，对薄壳山核桃品种的果实生长发育特性方面认识不足，限制了薄壳山核桃的精准栽培以及把控果实的最佳采收时期。因此，有关薄壳山核桃果实发育特性和果实品质调控成为学者的重点研究方向。前人将‘波尼’（‘Pawnee’)‘马罕’（‘Maha’）和‘金华’（‘Jinhua’）等已审（认）定品种为对象，进行了果实发育规律的动态分析，将果实的发育规律分为4个时期[6-8]。许梦洋等[9]对南京地区栽培的薄壳山核桃‘波尼’连续169 d果实发育情况进行了研究，发现最佳采收期在9月底—10月初，其中可作为优选对象在南京地区广泛栽培。常君等[10]以浙江金华的41个不同薄壳山核桃品种为主要研究对象，比较了不同品种间果实营养成分和脂肪酸组成的差异，结果发现薄壳山核桃种仁富含粗脂肪、可溶性糖等营养成分，脂肪酸除花生酸表现出显著性差异外，其他脂肪酸均表现出极显著性差异。张鹏等[11]对胡桃属多种植物胚中的含油率和脂肪酸组成进行分析比较发现，薄壳山核桃的不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸的含量均相对较高。
薄壳山核桃的果实发育规律是影响果实成熟的关键因子，不同品种的果实发育规律通常有明显差异。然而，这方面的研究还较匮乏，导致不能针对性地对薄壳山核桃林分进行水肥管理和适时采收，限制了薄壳山核桃产业的发展。鉴于此，本研究以湖南洞口种植的4个美国薄壳山核桃品种为试验材料，从授粉后（5月初）开始对果实外观形态和内含物含量的变化进行观测，并分析各品种果实性状的生长发育规律，为薄壳山核桃的适时采收提供参考依据。
1.1 试验地概况
试验地位于湖南省邵阳市洞口县毛坪村（27°14′10″N，110°42′54″E），亚热带季风性气候，四季分明，热量充足，年平均气温16.6 ℃，年平均降水量1 491 mm，全年无霜期290 d左右，土壤类型为红壤。
1.2 试验材料
试验材料薄壳山核桃品种‘波尼’‘马汉’‘普兹列’和‘威斯顿’。这4个薄壳山核桃品种均起源于美国，实生苗定植10 a后开始结果，通过嫁接繁殖的苗木，定植5～6 a后便开始结果，大树通过高接换冠1～2 a后开始结果，盛果期为结果后15 a左右开始，持续时间长达50～60 a[12]。成熟的薄壳山核桃的种子呈矩圆状或长椭圆形，纵径3～5 cm，横径2 cm左右，实生树果实形状和大小变异较大[13]。‘波尼’属于雄先型，是优质的早期授粉树种，中果型中熟品种，最佳采收期在花后145～155 d[6]。‘马汉’是大果型晚熟品种，雌先型，果型狭长体积较大，果壳薄[14]。‘普兹列’属于中果型早熟品种，湖南于1998年从路易斯安那州立大学的薄壳山核桃研究推广站引进，雄先型，具有抗病虫害的优点，通常表现为4～5 a开花，成熟期在花后140 d左右[15]。‘威斯顿’是在美国西南地区最广泛种植的薄壳山核桃品种，雄先型，小果型中熟品种，具有耐热抗旱的优点，在我国的成熟期为10月上旬，大概为花后160 d[5]。试验树为2012年通过高干嫁接的成年树，栽植密度为8 m×8 m，土壤肥力中等，果园设有护栏保护，采用常规的水肥管理方式进行管护。
1.3 试验方法
1.3.1 采样方法
每个品种选择5株生长健壮、长势一致的样树，分别于2021年6月20日、7月20日、8月20日、9月10日、9月30日、10月20日进行采样。采样时从每株树中上部东南西北4个方向采集中等果20个，低温保存带回实验室。种仁在7月20日之后出现，在对4个薄壳山核桃品种种仁内含物研究时，因前期无法分离种仁，6月20日和7月20日两个时期的材料取全部果实磨碎后测定。
1.3.2 果实形态测定
每个品种以新鲜采集的20个果实为测量对象，采用精度为0.01 mm的数显游标卡尺沿着果实中部最宽处测量横径，沿着果实顶部至底部最宽处测得纵径。用精度为千分之一的分析天平测果实鲜质量和干质量[16]；
果实形态测定完成后，将种仁在60 ℃烘箱中烘干，粉碎，供分析测试用。
1.3.3 果实内含物测定
采用索式提取法测定种仁含油率[17]。脂肪酸采用《食品安全国家标准食品中脂肪酸的测定》中的内标法测定[18]。可溶性糖和淀粉的测定使用蒽酮-硫酸比色法[19]。可溶性蛋白采用考马斯亮蓝法测定[20]。
1.3.4 数据分析
采用IBM SPSS Statistics 25和Excel 2016软件进行数据分析和作图，相关性分析采用Pearson分析。
2.1 4个不同薄壳山核桃品种果实形态发育规律
2.1.1 果实横径和纵径
图1为4个薄壳山核桃品种的果实横径发育规律曲线，对6个发育时期的薄壳山核桃品种果实横径测量结果显示，4个不同品种的薄壳山核桃果实横径均随发育时期的变化有所增长。由图1可知，7月20日—8月20日是薄壳山核桃果实横径的快速增长期。‘威斯顿’在9月10日—10月20日期间果实横径无明显增长，‘波尼’‘普兹列’和‘马汉’在果实发育后期仍然保持较高的横径增长速度。比较这4个不同品种的薄壳山核桃在同一时期的果实横径变化，结果表明‘波尼’在6个发育时期中果实横径均大于其他品种。4个薄壳山核桃品种果实成熟后横径由大到小依次为‘波尼’＞‘普兹列’＞‘马汉’＞‘威斯顿’。
图1 不同薄壳山核桃品种果实横径动态变化曲线Fig. 1 Dynamic change curve of fruit transverse diameter of different C. illinoinensis varieties
4个品种的果实纵径发育规律变化曲线如图2所示，薄壳山核桃‘马汉’在各个发育时期果实纵径都显著高于‘普兹列’和‘威斯顿’。在7月20日—8月20日‘马汉’‘波尼’和‘威斯顿’达到果实纵径快速增长期，而‘普兹列’则在8月20日—9月10日达到果实纵径快速增长期。9月10日—9月30日，4个品种果实纵径变化均不显著，‘马汉’和‘威斯顿’在9月30日—10月20日仍保持较高的纵径增长速度。4个薄壳山核桃品种果实成熟后纵径由大到小依次为‘马汉’＞‘波尼’＞‘威斯顿’＞‘普兹列’。
2.1.2 果实鲜质量和干质量
比较4个薄壳山核桃品种的6个发育时期的果实鲜质量（图3），结果显示4个品种在整个发育时期果实鲜质量均呈上升趋势。果实鲜质量的变化幅度为2.21～32.95 g，10月20日均达到最大值。从同一时期不同品种来看，4个薄壳山核桃的青果鲜质量由大到小依次为‘波尼’‘马汉’‘威斯顿’和‘普兹列’。10月20日果实鲜质量最大的‘波尼’达32.95 g，是此时鲜质量最小品种‘普兹列’的1.69倍。6月20日—7月20日果实鲜质量基本无增长，7月20日—9月30日是果实鲜质量的快速增长期。9月30日—10月20日‘马汉’仍然保持较快的鲜质量增长速度，其他3个品种鲜质量变化不明显。
图2 不同薄壳山核桃品种果实纵径变化曲线Fig. 2 Variation curve of fruit longitudinal diameter of different C. illinoinensis varieties
图3 不同薄壳山核桃品种果实鲜质量变化曲线Fig. 3 Change curve of fresh fruit mass of different C. illinoinensis varieties
比较4个不同薄壳山核桃品种的6个发育时期的果实干质量（图4），结果显示4个薄壳山核桃品种的干质量变化趋势与鲜质量基本一致。7月20日—9月30日是所有薄壳山核桃品种果实营养物质的快速积累期。4个薄壳山核桃品种果实成熟后期果实干质量由大到小依次为‘波尼’＞‘马汉’＞‘威斯顿’＞‘普兹列’。
2.2 4个不同薄壳山核桃品种内含物动态变化
2.2.1 种仁含油率
对4个薄壳山核桃品种的6个发育时期的种仁含油率测定发现，油脂开始形成的时期在7月20日之后，油脂的快速积累期是9月10日—9月30日。果实发育后期种仁含油率最高的品种是‘波尼’，在10月20日达到最高值为60.34%。7月20日—9月10日‘普兹列’‘波尼’和‘马汉’3个品种的种仁含油率差异不显著。9月10日‘威斯顿’的含油率显著高于‘马汉’，‘威斯顿’在整个时期含油率变化趋势呈直线型增长。9月30日‘波尼’的含油率显著高于其他品种。10月20日4个品种含油率排序为‘波尼’＞‘马汉’＞‘普兹列’＞‘威斯顿’。
图5 不同薄壳山核桃品种种仁含油率变化曲线Fig. 5 Variation curve of oil yield of different C. illinoinensis varieties.
图4 不同薄壳山核桃品种果实干质量变化曲线Fig. 4 Variation curve of dried fruit mass of different C. illinoinensis varieties
2.2.2 种仁脂肪酸组分分析
随着薄壳山核桃果实内部油脂合成活动的开展（7月20日），薄壳山核桃油脂中的脂肪酸组成也发生了动态变化。油酸作为山核桃油中不饱和脂肪酸的最大组成部分，随时间占比越来越重，到发育后期达到80.16%～91.00%。从果实发育后期脂肪酸组成成分来看，成熟的薄壳山核桃油脂中脂肪酸含量顺序为油酸＞亚油酸＞棕榈酸＞硬脂酸＞亚麻酸＞花生酸。其中油酸、亚油酸和亚麻酸属于不饱和脂肪酸，不饱和脂肪酸含量占总脂肪酸含量的80%以上；
棕榈酸、硬脂酸和花生酸属于饱和脂肪酸，饱和脂肪酸含量约占总脂肪酸含量的10%～15%。
从4个品种脂肪酸各组分对比可以看出，这4个薄壳山核桃品种相对油酸含量增长最快的时期是8月20日—9月10日，9月10日—9月30日除‘普兹列’外其他3个品种的油酸含量均无明显变化，品种间也无明显差异。10月20日4个品种相对油酸含量由大到小依次为‘波尼’＞‘马汉’＞‘威斯顿’＞‘普兹列’。随着果实发育油脂合成，相对亚油酸含量整体呈下降趋势，‘普兹列’亚油酸含量在9月10日—9月30日下降幅度最大，‘波尼’和‘马汉’在8月20日—9月10日果实中相对亚油酸含量下降幅度明显，‘威斯顿’在7月20日—8月20日明显下降。‘马汉’在9月10日达到相对亚油酸含量的最低值，其他3个品种在10月20日为最低值。棕榈酸大量存在于油脂合成的前中期，从整个发育时期看，棕榈酸的相对含量变化幅度较大，超过了20%。8月20日—9月10日为‘波尼’‘威斯顿’和‘普兹列’棕榈酸下降最明显的时期，‘马汉’在9月10日—9月30日相对棕榈酸含量下降最快。硬脂酸在‘普兹列’和‘威斯顿’中有先增后减的趋势。8月20日—9月10日4个品种中的相对硬脂酸含量有显著降低，其他时期中占比变化不明显。花生酸在所有品种中含量都很低，在整个发育时期中相对含量稳定在1%以内。‘威斯顿’和‘普兹列’在油脂合成初期并未检测出花生酸。
图6 4个不同品种的脂肪酸组成Fig. 6 Fatty acid composition of 4 different varieties
2.2.3 种仁可溶性糖
对4个薄壳山核桃品种果实可溶性糖含量测定发现，可溶性总糖呈先降低后升高的趋势，果实发育前期是可溶性糖含量的最高点，为110.34 mg/g。8月20日—9月10日下降最快，9月10日—9月30日达到最低点。果实发育前期4个品种果实内的可溶性糖含量差异不大，9月10日—9月30日‘威斯顿’果实中的可溶性糖含量显著低于其他3个品种。果实发育前期4个品种可溶性糖含量由大到小依次为‘波尼’＞‘威斯顿’＞‘普兹列’＞‘马汉’。
2.2.4 种仁淀粉
淀粉的变化曲线结果显示，4个薄壳山核桃果实内的淀粉含量呈‘M’形曲线，7月20日—8月20日是种仁中淀粉含量的快速减少期，在8月20日达到最低值，为1.178 mg/g。9月30日—10月20日是种仁淀粉含量的另一个减少期。8月20日—9月10日，除‘马汉’外的其他3个品种的淀粉含量显著升高。比较4个品种间的差异发现，8月20日‘波尼’和‘马汉’中的淀粉含量显著高于其他两个品种，9月10日‘波尼’中的淀粉含量显著高于其他3个品种，其他时期各品种差异不显著。
图7 4个不同品种的脂肪酸相对含量Fig. 7 The relative contents of fatty acids in 4 different varieties
图8 不同薄壳山核桃品种果实可溶性糖含量变化曲线Fig. 8 Variation curve of soluble sugar in different C. illinoinensis varieties
图9 不同薄壳山核桃果实淀粉含量变化曲线Fig. 9 Variation curve of starch content in different C. illinoinensis varieties
2.2.5 种仁可溶性蛋白
4个薄壳山核桃品种果实发育过程中可溶性蛋白的含量变化如图11所示。在7月20日之前，种仁内的可溶性蛋白含量处于一个稳定的低谷期＜10 mg/g。随着果实的生长发育，种仁中可溶性蛋白含量总体呈上升趋势，7月20日—8月20日为快速增长期。在果实发育的前中期，4个薄壳山核桃品种之间的可溶性蛋白含量差异不显著。果实发育后期4个薄壳山核桃品种的可溶性蛋白含量由大到小依次为‘波尼’＞‘马汉’＞‘普兹列’＞‘威斯顿’。8月20日—9月30日‘威斯顿’可溶性蛋白含量显著低于其他品种，9月30日时‘波尼’和‘马汉’中可溶性蛋白含量显著高于其他两个品种。9月30日—10月20日，‘马汉’的变化趋势呈下降趋势，其他3个品种呈小幅上升趋势。整个发育时期可溶性蛋白含量的变化幅度在6.1～27.0 mg/g之间。
图10 不同薄壳山核桃果实可溶性蛋白含量变化曲线Fig. 10 Variation curve of soluble protein content in different C. illinoinensis varieties
2.2.6 果实含水率
4个薄壳山核桃品种的含水率在整个发育时期呈下降趋势，如图16所示。果实含水率的变化范围在75.68%～58.53%之间，果实含水率的变化趋势总体保持动态平衡。9月10日—10月20日4个薄壳山核桃品种之间的含水率变化情况无显著差异，6月20日时‘普兹列’果实中的含水率显著低于其他3个品种，8月20日时‘波尼’含水率显著低于其他品种。果实发育中后期水分主要存在于果皮中，去除果皮后种子含水率在30%～40%之间。
2.3 相关性分析
2.3.1 薄壳山核桃果实形态与内含物之间的相关性分析
相关性分析结果表明，薄壳山核桃果实出油率与果实横径、果实鲜质量极显著正相关。可溶性蛋白、不饱和脂肪酸含量都与果实横径和鲜质量显著相关，可以通过果实的形状和质量预测这2种内含物含量。
图11 不同薄壳山核桃品种果实含水率动态变化曲线Fig. 11 Dynamic change curve of fruit moisture content of different C. illinoinensis varieties
表1 薄壳山核桃果实形态与内含物之间的相关系数?Table 1 Correlation coefficient between form and content of C. illinoinensis fruit
3.1 结 论
对薄壳山核桃果实形态和单果质量等性状指标的测定结果表明，4个薄壳山核桃品种果实生长呈“S”型增长曲线，4个品种的果实横纵径均随时间有所增长，8月20日—9月10日是果实横径的快速增长期，7月20日—8月20日是果实纵径的快速增长期。‘波尼’在果实发育后期仍然保持较高的横径增长速度，‘马汉’在果实发育后期仍保持较高的纵径增长速度。4个薄壳山核桃果实单果质量随时间累积，‘波尼’和‘马汉’两个品种的鲜果质量增长量和干物质累积量都显著高于另外两个品种，8月20日—9月30日是种子营养物质的快速积累期。4个薄壳山核桃品种种仁中油脂累积主要在7月20日之后。含油率最高的品种为‘波尼’，达60.34%。内含物质随果实发育呈“V”型或“M”型增长曲线。成熟的薄壳山核桃油脂中脂肪酸含量顺序为油酸＞亚油酸＞棕榈酸＞硬脂酸＞亚麻酸＞花生酸。果实含水率在整个发育时期呈下降趋势，变化范围为75.68%～60.83%。相关性分析表明，可溶性蛋白、不饱和脂肪酸含量都与果实横径和鲜质量显著相关。
3.2 讨 论
果实横纵径与果实干鲜质量均随发育时间呈明显的‘慢—快—慢’的增长趋势，这与前人的研究结果一致[6-8]。整个发育时期果形指数呈先减后增的趋势，且发育前期大于发育后期，这是由于果实纵径的生长速度高于果实横径的增长速度。于敏等[21]对浙江种植的薄壳山核桃‘威斯顿’‘波尼’和‘马汉’的外观性状比较分析表明，种子鲜质量与鲜果质量、仁质量以及出仁率之间均呈极显著正相关。这与本研究结果相似，表明相同的薄壳山核桃品种，在浙江省新昌县与湖南省洞口县种植后，果实的外观品质无明显差异。发育后期薄壳山核桃油脂中脂肪酸含量顺序为油酸＞亚油酸＞棕榈酸＞硬脂酸＞亚麻酸＞花生酸。这与俞春莲等[22]测定的脂肪酸含量结果相一致，薄壳山核桃的油脂主要由油酸、亚油酸、棕榈酸、硬脂酸、亚麻酸、花生酸等成分组成[23]。4个薄壳山核桃果实可溶性总糖呈先降低后升高的趋势，且果实发育前期高于发育后期。解红恩等[24]的研究结果表明，在果实发育过程中粗蛋白和可溶性糖不断减少，这是由于果实成熟过程中种仁可溶性糖和粗蛋白不断转化成为粗脂肪。在果实发育过程中种仁淀粉含量总体保持增长，增长曲线呈“M”形。在果实发育的前期，4个薄壳山核桃品种间可溶性蛋白含量差异不显著。果实发育后期可溶性糖含量短暂升高，可溶性糖对植物代谢有重要作用，对果实的生长发育产生影响，后期可增加光合作用和施加肥料等，促进苗木生长补充果实生长后期糖类的需求[25-27]。4个薄壳山核桃品种成熟期的种仁含油率达50.67%～60.34%，显著高于油茶、油棕等木本油料树种[11]。油脂中脂肪酸组成比例随果实发育而变化，存在饱和脂肪酸向不饱和脂肪酸转化的趋势，这与常君等[28]的研究结果一致。
湖南是最早引进薄壳山核桃的地区，也是最适宜栽培的地区之一。本研究对湖南省4个薄壳山核桃的果实形态发育和内含物动态变化的规律进行测定，筛选出薄壳山核桃品种‘波尼’和‘马汉’在10月20日左右为最佳采收期；
薄壳山核桃品种‘普兹列’和‘威斯顿’在9月30日前达到最佳采收期，但对于品种配置方面存在一定的局限性。自花授粉会导致果仁质量和体积减小、坐果率降低的现象，大部分情况下异花授粉的果实表现更佳。后期可进行实验筛选得出与主栽品种亲和性较高、花粉活力强、花粉量大的授粉树对主栽品种进行授粉杂交实验，筛选出最适合在湖南省大面积推广种植的薄壳山核桃品种配置方案。