紫膠樹脂溶解性及其鈉鹽的理化性質

李 凱，周梅村，張 弘*，鄭 華

紫膠樹脂溶解性及其鈉鹽的理化性質

李 凱1,2，周梅村2，張 弘1,*，鄭 華1

(1.中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所，云南 昆明 650224；2. 昆明理工大學化學工程學院，云南 昆明 650224)

紫膠樹脂在碳酸鈉溶液中的溶解是紫膠加工、改性和應用過程中必不可少的前工序，通過測定在不同碳酸鈉濃度、不同溫度條件下溶解過程中紫膠樹脂溶解量的變化以及與溶液pH值和TDS值(total dissolved solids，溶解性總固體量又稱可溶性固體含量)的變化關系，建立紫膠樹脂溶解曲線，并對其溶解原理以及溶解初期的動力學進行探討；對紫膠樹脂鈉鹽和紫膠樹脂的理化性質進行測定和對比，并考察紫膠樹脂鹽作為獨立生物材料的可能性。結果表明：紫膠樹脂在碳酸鈉溶液中的溶解過程也是酸堿反應的過程，是－COOH和CO32-之間的反應；對紫膠樹脂的溶解前期進行的動力學分析，證明其為零級反應。比較紫膠樹脂鈉鹽膜與紫膠樹脂膜的理化性質表明，紫膠樹脂鈉鹽較紫膠樹脂有更好的耐熱性、更強的硬度、更好的潤濕性并且在模擬胃液pH1.0、腸液pH6.8等液體環(huán)境中有更佳的溶解性。

紫膠樹脂；碳酸鈉；溶解性；生物材料

紫膠樹脂是從紫膠蟲分泌的紫膠中提取獲得的天然樹脂，在食品、藥物、皮革、電器等行業(yè)都有廣泛的應用：在食品工業(yè)上可以用作食品的防潮劑、固型劑[1]，在水果保鮮中可以作為水果保鮮劑中的被膜劑，具有很好的保鮮效果[2-5]；在制藥工業(yè)上可以作為腸溶包衣[6]，具有緩釋[7]和結腸靶向給藥[8]的功能；在皮革工業(yè)上可以作為防霉被膜劑，具有良好的防潮防霉效果[9]；電器工業(yè)上可以作為良好的絕緣材料，具有良好的黏結性和抗碳化性[10]。

無論紫膠樹脂加工、化學改性還是應用，均需要將紫膠樹脂溶解在溶劑或分散在液相中，而碳酸鈉水溶液是其使用最普遍同時也是最經濟的溶劑。但是，碳酸鈉溶液溶解紫膠樹脂目前尚無基本的數(shù)據(jù)，甚至其溶解原理也無準確的闡述，生產實踐也是依據(jù)前人的經驗來執(zhí)行。因此本實驗將通過測定在不同碳酸鈉濃度、不同溫度溶解過程中，紫膠樹脂溶解量與溶液pH值和可溶性固體含量(TDS)值(可溶性固體含量，溶解性總固體以NaCl計)的變化關系，擬建立紫膠樹脂的溶解曲線以

及溶解動力學來試圖說明以上的問題。

另外，在紫膠樹脂溶解性實驗中發(fā)現(xiàn)：紫膠樹脂的溶解過程也是一種新的生物材料——紫膠樹脂鈉鹽制備的過程，并且為了考察紫膠樹脂鈉鹽作為獨立生物材料的可能性，對紫膠樹脂鈉鹽的硬度、溶脹性、熱性質等理化特性進行測試，并與紫膠樹脂的相同的理化特性進行橫向對比。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

精制脫蠟紫膠樹脂(20～40目)由中國林業(yè)科學研究院資源昆蟲研究所特種生物資源研究開發(fā)中試基地提供。

碳酸鈉、乙醇(95%)均為分析純 重慶川東化工有限公司；去離子水 實驗室自制；高純氮氣(純度≥99.999%)、液氮 昆明梅塞爾氣體產品有限公司。

1.2 儀器與設備

CPC-505電導率儀 德國斯瑪特公司；DSX-90數(shù)顯攪拌機 杭州儀表電機有限公司；TMS-Pro物性分析系統(tǒng) 美國FTC公司；DSC200F3差示量熱掃描儀(配有Proteus數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)) 德國Netzsch公司；Tensor-27傅里葉紅外光譜儀 德國布魯克公司；JC2000A靜滴接觸角測量儀 上海中晨公司；D/max-3B型X射線衍射儀日本理學；GAC/BX618 便攜式氣體探測器 武漢福保燃氣安全新技術有限公司。

1.3 方法

1.3.1 紫膠樹脂溶解性的測定

1.3.1.1 紫膠樹脂溶解曲線的繪制

配制濃度為0.1、0.05mol/L的碳酸鈉溶液，在40、50、60℃下，分別取1L上述不同濃度的碳酸鈉溶液進行紫膠樹脂的溶解，在溶解過程中，每溶解10g紫膠樹脂，對溶液的pH值和TDS值進行檢測，直至溶液飽和。從而得到溶解度與pH值、TDS值的關系曲線。1.3.1.2紫膠樹脂溶解過程的氣體檢驗

紫膠樹脂溶解過程中產生的氣體進行定性分析：利用氮氣將裝置內的空氣排空后，再將產生的氣體通入飽和澄清的氫氧化鈣溶液當中，觀察氫氧化鈣溶液是否會變渾濁，并且利用GAC/BX618 便攜式氣體探測器進行二次定性。

1.3.1.3 紫膠樹脂溶解后期HCO3的檢驗

在紫膠樹脂的溶解過程后期，溶液的pH值小于9.0后，利用紫膠樹脂碳酸鈉溶液特有的鹽析現(xiàn)象即加入大量的電解質(如氯化鉀)，紫膠樹脂會成團狀沉淀下來，將紫膠樹脂析出后進行過濾，得濾液。向濾液中加入澄清的氫氧化鈣溶液觀察現(xiàn)象，隨即加入0.1mol/L的鹽酸，觀察現(xiàn)象，如有氣體產生對氣體進行檢驗方法如1.3.1.2節(jié)所示。

1.3.1.4 紫膠樹脂溶解前期動力學的測定

以溶解過程中溶液的pH 9.0為界，將紫膠樹脂的溶解過程分為前期和后期，紫膠樹脂溶解前期動力學的測定：配制濃度為0.1、0.05mol/L的碳酸鈉溶液1L，在40、50、60℃的條件下均勻投入10g紫膠樹脂，利用電導率儀的S4i5-pc軟件記錄溶解時間90s中TDS值的變化。從而得到時間與TDS的關系曲線，推導溶解動力學模型。

1.3.2 紫膠樹脂鹽膜、紫膠樹脂膜理化性質的測定

1.3.2.1 紫膠樹脂鹽膜、紫膠樹脂膜的制備

在常溫下，將飽和的碳酸鈉紫膠樹脂溶液和同質量濃度的紫膠樹脂乙醇溶液涂于玻璃板上，常溫干燥，得兩種樹脂膜。

1.3.2.2 膜厚度測定[11]

以千分尺在被測膜上隨機取5點測量厚度，取平均值。

1.3.2.3 膜溶脹倍數(shù)測定

溶脹倍數(shù)測定，參照GB/T 1034—1998，將兩種膜分別溶解在0.1mol/L HCl(pH1.0，模擬胃液環(huán)境)、磷酸二氫鉀-氫氧化鈉( pH6.8，模擬腸液環(huán)境)、去離子水(pH7.2)，直至溶脹平衡。

1.3.2.4 膜機械性能測定

利用TMS-Pro物性分析系統(tǒng)，分別對兩種膜進行穿刺硬度測定，實驗條件是針形力量感應元。

1.3.2.5 膜結構的掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscope，SEM)的對比、表征

首先對樣品膜進行噴金處理，在SEM下進行觀察、檢測及成像。

1.3.2.6 膜粉末X射線衍射分析

將紫膠樹脂膜、紫膠樹脂鈉鹽膜粉碎后，利用X射線衍射儀對兩種粉末進行X射線衍射，分析條件：Cu靶，Kα射線，λ=0.15405nm，30mA，40kV，入射狹縫Ds=1°，接收狹縫Rs=0.3mm，掃描范圍為2°≤2θ≤80°，步長為0.02°，掃描速度4°/min。

1.3.3 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂的紅外光譜的分析

為研究紫膠樹脂溶解過程中紫膠樹脂的結構是否發(fā)生了變化，將樣品與KBr混合進行壓片，利用紅外光譜儀對其分子結構進行檢測。

1.3.4 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂的差示掃描量熱法

(differential scanning calorimetry，DSC)曲線對比分析

對兩種樣品進行DSC分析，分析條件：初始溫度設為0℃，以10℃/min的升溫速率加熱至250℃，恒溫10min，以保證試樣吸熱充分和基線平穩(wěn)。加熱過程均在吹掃氣和保護氣(均為高純N2，其中吹掃氣20mL/min，保護氣50mL/min)的氣氛下進行，降溫介質為液氮。

1.3.5 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂的接觸角的對比分析[12]

取質量濃度為40g/100mL的紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂乙醇溶液，通過微量注射器將溶液自動滴于玻璃板上，通過影像監(jiān)視器自動記錄液滴的形狀，并測量液滴與固體表面的接觸角。

2 結果與分析

2.1 紫膠樹脂溶解性質的分析

2.1.1 紫膠樹脂溶解過程現(xiàn)象分析以及釋放氣體的鑒別

溶解實驗現(xiàn)象：伴隨著溶液TDS值、pH值減小即碳酸鈉量的減少，紫膠樹脂的溶解量增加，并且到溶解后期紫膠樹脂的溶解伴隨著大量的氣體產生，經氣體的鑒定步驟后，確定是二氧化碳，并且經過檢測在紫膠樹脂后期的溶液中存在HCO3－?？梢酝茰y紫膠樹脂溶解過程，可能先后發(fā)生以下兩個反應：

－COOH+Na2CO3→－COONa+NaHCO3－COOH+NaHCO3→－COONa+CO2+H2O

2.1.2 溶解曲線

圖1 紫膠樹脂在40、50、60℃時溶解量與TDS值的關系曲線Fig.1 Relationship curves of TDS and dissolved quantity of lac resin at 40, 50 ℃ and 60 ℃

圖2 紫膠樹脂在40、50、60℃時溶解量與pH值的關系曲線Fig.2 Relationship curves of pH and dissolved quantity of lac resin at 40, 50 ℃ and 60 ℃

由圖1、2可見，隨著紫膠樹脂的溶解量的增加，溶液的TDS值、pH值隨之降低。

2.1.3 溶解數(shù)學模型的建立

根據(jù)圖1溶解曲線的形狀特點，選擇二階多項式進行曲線擬合，溶解量(y)與溶液TDS值(x)的擬合方程的基本形式為：y = Ax2+Bx+C。

40℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：y＝8.8×10-5x2－0.0290x+6.0492(R2=0.9987)；40℃(0.05mol/L Na2CO3溶液)：y = 0.0002x2－0.0337x＋3.4853(R2=0.9963)；50℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：y = 9.1×10-5x2－0.032x＋6.7689 (R2=0.9969)；50℃(0.05mol/L Na2CO3)：y = 0.0002x2－0.5790x＋50.137(R2=0.9980)；60℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：y = 8.7×10-5x2－0.0296x＋6.3420(R2=0.9982)；60℃(0.05mol/L Na2CO3)：y = 0.0002x2－0.0345x＋3.6078 (R2=0.9974)。

由R2值得，擬合方程的擬合度較好，可以說明溶解過程中溶解量與溶液TDS值的變化關系，TDS值是溶液中可溶性固體含量，其測量原理實際上是通過測量溶液的電導率從而間接反映出溶液的TDS 值。在物理意義上來說，水中溶解物越多，水的TDS 值就越大，水的導電性也越好，其電導率值也越大。但是本實驗隨著溶解度的增大TDS值減小，說明紫膠樹脂溶解過程中，消耗了水中導電率大的物質，在本實驗中也就是碳酸鈉，另外紫膠樹脂分子是多活性基團的樹脂，其存在羧基、羥基、醛基等，在紫膠樹脂的溶解過程中，羧基可以與碳酸鈉發(fā)生反應生成紫膠樹脂羧酸鹽，同時碳酸鈉在這個溶解反應后生成碳酸氫鈉或者是二氧化碳和水。

對40、50、60℃ 0.1mol/L Na2CO3溶液溶解紫膠樹脂的前期溶解量(10～60g)與溶液TDS值的變化關系曲線如圖1所示，并對3個曲線進行線性擬合，其結果為：40℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0234X＋5.9860(R2= 0.9967)；50℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0278X＋6.7405 (R2=0.9954)；60℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0241X＋6.7293(R2=0.9913)。

由擬合結果可以看出，在溶解的前期，溶解量與溶液TDS值的變化方式完全是線性的關系并且在溶解的前期并沒有氣體產生，也就是說在前期溶解過程中溶解相同質量的紫膠樹脂其消耗的溶液的TDS值都是相同，推出在溶解的前期發(fā)生了穩(wěn)定的相同的化學反應。

由圖2可知，溶液的pH值隨紫膠樹脂的溶解而下降，由于紫膠樹脂為酸性物質[13]，而碳酸鈉是堿性物質，表明了在紫膠樹脂的溶解過程中發(fā)生了紫膠樹脂與碳酸鈉的反應。而由6條溶解曲線可以作為紫膠樹脂的溶解標準曲線，通過測定溶液中pH值即可獲知其溶液中紫膠樹脂的含量，因此有較強的實用價值。

2.1.4 紫膠樹脂溶解前期動力學分析

圖3 在40℃、0.1、0.05mol/LNa2CO3溶液的條件下溶解時間與TDS值的關系圖Fig.3 Relationship curves of TDS and dissolving time of lac resin at 40 ℃ and 0.1 or 0.05 mol/L Na2CO3

圖4 在50℃、0.1、0.05mol/LNa2CO3溶液條件下溶解時間與TDS值的關系圖Fig.4 Relationship curves of TDS and dissolving time of lac resin at 50 ℃ and 0.1 or 0.05 mol/L Na2CO3

圖5 在60℃、0.1、0.05mol/LNa2CO3溶液條件下溶解時間與TDS值的關系圖Fig.5 Relationship curves of TDS and dissolving time of lac resin at 60 ℃ and 0.1 or 0.05 mol/L Na2CO3

對這個化學反應進行反應動力學的分析，在 40℃、0.1mol/L Na2CO3溶液，40℃、0.05mol/L Na2CO3溶液，50℃、0.1mol/L Na2CO3溶液，50℃、0.05mol/L Na2CO3溶液，60℃、0.1mol/L Na2CO3溶液，60℃、0.05mol/L Na2CO3溶液的起始溶解的90s中，記錄時間(Y)與溶液TDS值(X)的變化關系如圖3～5所示，并對其進行數(shù)據(jù)擬合，結果如下：40℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：Y＝－0.0012X＋7.3809(R2=0.9919)；40℃(0.05mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0008X+4.1915(R2=0.9991)；50℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0025X+7.1052(R2=0.9969)；50℃(0.05mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0022X+4.2216(R2= 0.9859)；60℃(0.1mol/L Na2CO3溶液)：Y=0.0060X+7.8563 (R2=0.9554)；60℃(0.05mol/L Na2CO3溶液)：Y=－0.0022X+4.3951(R2= 0.9817)。

由擬合方程可以看出，TDS值的消耗量與時間成較好的線性關系，符合反應動力學零級反應的特征[14]。

2.2 紫膠樹脂鈉鹽膜、紫膠樹脂膜理化性質的測定

紫膠樹脂膜與紫膠樹脂鈉鹽膜溶脹倍數(shù)以及膜硬度實驗見表1。紫膠樹脂鈉鹽成膜以后其在3種溶液中的溶解性都有不同程度的增加，尤其是在磷酸二氫鉀-氫氧化鈉/緩沖溶液當中要比紫膠樹脂的溶解性更強，并且在0.1mol/L HCl 當中僅僅有溶脹現(xiàn)象，根據(jù)這一特性紫膠樹脂鈉鹽膜可以作為醫(yī)藥中的腸包衣材料或是胃部緩釋膨脹材料；利用TMS-Pro物性分析系統(tǒng)，對紫膠樹脂膜以及紫膠樹脂鈉鹽膜進行硬度測試，結果顯示：紫膠樹脂鈉鹽膜的硬度要遠遠的高于紫膠樹脂膜的硬度，這同樣是因為在鈉離子取代其羧基上的氫后，先前利用氫鍵形成的分子間、分子內部的交聯(lián)被打破，也同時打破了紫膠樹脂分子成膜時不規(guī)則的組合，紫膠樹脂鈉鹽成膜時在沒有這些氫鍵的阻礙下，分子排列更加的規(guī)則和緊密，從而在宏觀上表現(xiàn)出紫膠樹脂鈉鹽膜的硬度變大。

表1 紫膠樹脂鈉鹽膜、紫膠樹脂膜理化性質Table 1 Physico-chemical properties of lac resin and its sodium salt

2.3 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂成膜后結構的比較

圖6 紫膠樹脂SEM成像(×10000)Fig.6 Microphotograph of lac resin based film (×10000)

由圖6～7可知，對比發(fā)現(xiàn)紫膠樹脂鈉鹽膜是較為平整、致密平面，這是因為紫膠樹脂上的羧基上的氫離子被鈉離子取代以后，紫膠樹脂分子間力減小，易于在物體表面鋪展，從而使形成的膜較為平整致密。

圖7 紫膠樹脂鈉鹽膜的SEM成像(×10000)Fig.7 Microphotograph of lac resin sodium salt based film (×10000)

2.4 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂X射線衍射分析

圖8 紫膠樹脂與紫膠樹脂鈉鹽的X射線衍射圖譜Fig.8 X-ray diffraction patterns of lac resin and its sodium salt

圖10 紫膠樹脂、紫膠樹脂鈉鹽的DSC譜圖Fig.10 DSC spectra of lac resin and sodium salt of lac resin

X射線衍射技術是研究物質中分子三維結構幾何性質與分子本身性質之間關系的一種技術，它可以用于對物質，尤其是晶體物質進行定性和定量分析，紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂膜X射線衍射圖譜如圖8所示，紫膠樹脂、紫膠樹脂鈉鹽的衍射曲線均表現(xiàn)出較為明顯的非晶彌散衍射特征，表明兩種膜是非結晶性、無定形結構的物質，并且兩種膜的衍射圖譜極為相似，說明紫膠樹脂鈉鹽成膜后與紫膠樹脂結構相似，不是晶體結構。由圖10可知，紫膠樹脂鈉鹽的吸熱峰出現(xiàn)位置與紫膠樹脂相比，要遠遠拖后。對兩種物質DSC曲線進行分析得：紫膠樹脂鈉鹽的軟化點為105.7℃與紫膠樹脂的軟化點為55.5℃相比，也有很大的提高，這是因為紫膠樹脂羧基上的氫離子被鈉離子取代以后，在受熱過程中羧基不能與其周圍的羥基分子發(fā)生酯化熱聚合，從而增強樹脂的耐熱性，使紫膠樹脂的軟化點升高，這就擴大了紫膠樹脂的應用范圍。另外由DSC曲線觀察，紫膠樹脂鈉鹽DSC的曲線較紫膠樹脂，出現(xiàn)多峰鋸齒狀峰型，這是因為紫膠樹脂在碳酸鈉溶解過程中打破了紫膠樹脂分子之間的氫鍵，形成了多分子質量分布的紫膠樹脂鈉鹽，從而也就出現(xiàn)了多峰峰型的DSC曲線。

2.7 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂接觸角的對比分析

2.5 紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂的紅外譜圖定性對比分析

圖9 紫膠樹脂、紫膠樹脂鈉鹽的紅外譜圖Fig.9 Infrared spectra of lac resin and sodium salt of lac resin

由圖9可知，通過對比發(fā)現(xiàn)在整個紅外光譜掃描范圍內紫膠樹脂鈉鹽與紫膠樹脂的特征吸收峰基本吻合，僅僅是在1581cm-1處出現(xiàn)了因C＝O的振動耦合吸收峰，這是因為羧酸成鹽后，形成了羧酸根負離子兩個相同的C－O鍵，發(fā)生了振動耦合效應。分析結果說明，紫膠樹脂鈉鹽與紫膠樹脂分子結構上并沒有發(fā)生大的改變。2.6紫膠樹脂鈉鹽、紫膠樹脂的差示量熱分析(DSC)對比

圖11 紫膠樹脂的接觸角測試圖Fig.11 Contact angle of lac resin

圖12 紫膠樹脂鈉鹽的接觸角測試圖Fig.12 Contact angle of sodium salt of lac resin

由圖11～12可知，質量分數(shù)40%的紫膠樹脂鈉鹽溶液的接觸角為36°，質量分數(shù)40%的紫膠樹脂的接觸角為40.5°?？梢钥闯鲎夏z樹脂鈉鹽的接觸角要小于紫膠樹脂的接觸角，相同條件下，紫膠樹脂鈉鹽的潤濕

性更好，這是因為紫膠樹脂羧基失去氫后，樹脂內部分子力減弱，同時減小了表面能，易在物體表面鋪展。

3 結 論

3.1 通過分析紫膠樹脂溶解量與溶液TDS值、pH值的變化關系得出：紫膠樹脂在碳酸鈉溶液中的溶解過程同時也是酸堿反應的過程，是－COOH和CO32-之間的反應，并且對紫膠樹脂的溶解前期進行了動力學分析，證明其為零級反應。

3.2 通過溶液pH值來衡量紫膠樹脂的溶解過程中的溶解進度，同時可以根據(jù)所測定得pH值計算溶液中紫膠樹脂的含量。

3.3 比較紫膠樹脂鈉鹽膜與紫膠樹脂膜的理化性質表明：紫膠樹脂鈉鹽較紫膠樹脂有更好的耐熱性、更強的硬度、更好的潤濕性并且在特定的液體環(huán)境中有更佳的溶解性。由此可以看出紫膠樹脂鈉鹽作為一種獨立生物材料會有較好的應用前景。

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Solubility and Physico-chemical Properties of Lac Resin and Its Sodium Salt

LI Kai1,2，ZHOU Mei-cun1，ZHANG Hong1,*，ZHENG Hua1
(1. Research Institute of Resources Insects, Chinese Academy of Forestry, Kunming 650224, China；2. Faculty of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)

The dissolution of lac resin in sodium carbonate, a necessary processing before the production, modification and application of lac resin, was done. The change of solubility, pH and total dissolved solids (TDS) of lac resin in sodium carbonate with different concentrations and temperatures were determined to establish a solubility curve of lac resin for exploring its dissolving principle and dynamic model. Meanwhile, the physiochemical properties of lac resin and its sodium salt were determined and compared to test the possibility of being used as a single material. Results indicated that the dissolving process of lac resin in sodium carbonate was an acid-base reaction in a zero grade mode. Sodium salt of lac resin based film with exhibited better thermostability, hardness, wettability, and excellent solubility in mimic gastric liquid (pH 1.0) or mimic intestinal liquid (pH 6.8) when compared to lac resin based film.

lac resin；sodium carbonate；solubility；biomaterials

TS202.3；S759.7

A

1002-6630(2010)21-0159-06

2010-08-23

國家林業(yè)局“948”項目(2008-4-78)；科技部農業(yè)科技成果轉化資金項目(2010GB24320619)；國家林業(yè)科技成果推廣項目([2010]11)

李凱(1984—)，男，碩士研究生，研究方向為天然產物化學。E-mail：565656-@163.com

*通信作者：張弘(1963—)，男，研究員，本科，研究方向為林業(yè)生物資源化學與利用。E-mail：kmzhhong@163.com