鮮切菠菜在不同冷藏溫度下品質(zhì)變化的動力模型

王 超 劉 斌 鞏玉芬 王素英

(1天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津商業(yè)大學 300134； 2 天津市食品與生物技術(shù)重點實驗室 天津商業(yè)大學 300134)

鮮切菠菜在不同冷藏溫度下品質(zhì)變化的動力模型

王 超1劉 斌1鞏玉芬2王素英2

(1天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津商業(yè)大學 300134； 2 天津市食品與生物技術(shù)重點實驗室 天津商業(yè)大學 300134)

通過正交設(shè)計確定了菠菜鮮切處理的最佳方案為用75 mg/L二氧化氯水溶液、0.5%氯化鈉溶液分別浸泡10 min后，PVDC保鮮膜包裝。然后將處理后的菠菜分別儲藏于0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃，并測定了鮮切菠菜的失重率、葉綠素含量及菌落總數(shù)，跟蹤樣品品質(zhì)隨時間、溫度的變化關(guān)系。結(jié)果表明，隨著貯藏溫度的升高和貯藏時間的延長，菠菜葉綠素含量減少；失重率則隨著儲藏溫度的升高和貯藏時間的延長而增大；菌落總數(shù)也隨著儲藏溫度的升高和貯藏時間的延長而增大。這表明鮮切菠菜0 ℃貯藏效果最好?；趯嶒灁?shù)據(jù)，建立了失重率、葉綠素和菌落總數(shù)的動力學模型，獲得了模型中的活化能參數(shù)，為流通過程中的貨架期預(yù)測奠定了理論基礎(chǔ)。

冷藏；動力模型；溫度梯度；鮮切菠菜

冰溫貯藏是將果蔬貯藏在0 ℃和凍結(jié)溫度點之間溫度帶內(nèi)，是繼冷藏和氣調(diào)冷藏之后的第三代果蔬保鮮技術(shù)[1]，能有效抑制呼吸作用和有害微生物的生理活動，延長蔬菜的保鮮期和貨架期。伴隨著鮮切果蔬市場的迅速擴展，相關(guān)的研究也逐漸增多，主要涉及果蔬生理生化、微生物、貯藏加工、包裝、品質(zhì)變化及評價、生物技術(shù)應(yīng)用、質(zhì)量安全保證等諸多學科，其中以延長貨架期為主要目的，探討如何有效保持鮮切產(chǎn)品鮮度和品質(zhì)是研究的熱點[2-3]。Marrero A等[4]將鮮切菠蘿在0 ℃、2.2 ℃條件下貯藏，貨架期比10 ℃條件下貯藏延長了10 d之多，達到了14 d以上?？芾蚱嫉萚5]測定了0 ℃、5 ℃、10 ℃和室溫下杏鮑菇的相關(guān)理化指標，發(fā)現(xiàn)0 ℃能有效抑制杏鮑菇的PPO活性及其腐爛褐變，降低失重率。有研究發(fā)現(xiàn)：果蔬經(jīng)鮮切處理后，汁液流失較嚴重，組織與外界微生物接觸面積增大，為微生物的繁殖提供了營養(yǎng)條件，所以鮮切果蔬流通過程中，微生物的侵染成為縮短其貨架期的主要因素之一[6]。與此同時，溫度也是影響食品貨架期的主要因素[7]，研究人員已經(jīng)找到很多能夠反映溫度與食品品質(zhì)變化的關(guān)系模型，如Arrhenius方程、WLF(Williams-Landel-Ferry)方程、Z值模型法等。Labuza T P[8]用此構(gòu)建了食品的腐敗變質(zhì)速率和溫度之間的關(guān)系。對于主要由微生物引起腐敗變質(zhì)的食品，可通過預(yù)測特定腐敗菌(SSO)的生長趨勢來預(yù)測食品貨架期[9]。目前存在的主要缺陷是微生物的生長和控制與鮮切加工、冷藏溫度沒有結(jié)合，流通過程中的微生物生長變化與貨架期之間的關(guān)系不明確。本文擬將鮮切菠菜的冷藏溫度與微生物的生長模型聯(lián)系起來，構(gòu)建一個基于貯藏方式的品質(zhì)變化動力模型，以求能夠?qū)Σげ嗽诹魍ㄟ^程中品質(zhì)的變化做出預(yù)測和評估，從而為貨架期的預(yù)測奠定基礎(chǔ)。

1 菠菜最佳鮮切處理條件的確定

1.1 材料與試劑

菠菜購于天津市紅橋區(qū)菜市場；石英砂、碳酸鈣、丙酮、氯化鈉、平板計數(shù)瓊脂培養(yǎng)基均為分析純；二氧化氯速效泡騰片(廣州華星化工科技有限公司)；PE保鮮膜(脫普日用化學品中國有限公司妙潔PE保鮮膜 30 cm×30 m)、PP保鮮膜(市售)、PVDC保鮮膜(脫普日用化學品中國有限公司妙潔巧撕保鮮膜 22 cm×20 m)、塑料托盤(10 cm×10 cm，市售)；3M Petri film菌落總數(shù)檢測片(美國3M公司)。

1.2 處理方法

選定包裝材料、二氧化氯濃度、氯化鈉濃度三個對菠菜品質(zhì)影響較大的因素，依據(jù)正交實驗設(shè)計[10]篩選鮮切菠菜的最佳處理方案,具體因素水平見表1。

表1 菠菜最佳鮮切條件篩選正交實驗因素水平表Tab.1 Factors of orthogonal test for selecting the optimum method of fresh-cut spinach

新鮮菠菜鮮切處理操作要點如下：用清水沖洗菠菜，洗掉表皮污泥，切成大小適中的菠菜葉片，之后在二氧化氯殺菌劑中浸泡10 min，用蒸餾水洗凈后，在檸檬酸、殼聚糖混合配制的護色液中浸泡5 min，濾去涂膜液，菠菜葉片自然風干，用保鮮膜進行包裝后，放入塑料托盤中(每盤約25 g)，進行正交實驗。在4 ℃條件下貯藏，適當?shù)臅r間后測定菠菜的理化指標。鮮切處理過程中使用的水均為蒸餾水，切分用具及包裝托盤均經(jīng)過殺菌處理。

1.3 理化指標的測定

失重率的計算公式：

(1)

葉綠素含量的測定采用分光光度法，按照Arnon公式計算得提取液中葉綠素a和葉綠素b的質(zhì)量濃度：

ρa=12.72A663-2.59A645

(2)

ρb=22.88A645-4.67A663

(3)

ρT=ρa+ρb=20.29A645+8.05A663

(4)

式中：A663和A645分別為用1 cm比色皿在波長663 nm和645 nm處比色測定提取液的吸光度值。

再按式(5)計算菠菜組織中葉綠素的含量，以每克菠菜組織鮮重中所含葉綠素的質(zhì)量來表示，即mg/g，實驗重復三次，結(jié)果取三次實驗的平均值。

(5)

式中：ρ為由公式計算得葉綠素的質(zhì)量濃度，mg/L；V為樣品提取液總體積，mL；m為樣品質(zhì)量，g。

菌落總數(shù)的測定采用GB4789.2—2010稀釋平板法[11]，并參考許振等[12]的研究結(jié)果做適當改進。

另外采用3M Petrifilm菌落總數(shù)檢測片進行快速檢測，對照兩種檢測方法的結(jié)果，提高結(jié)果的準確性。

1.4 數(shù)據(jù)處理

通過Excel整理數(shù)據(jù)，并用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析。

1.5 正交實驗結(jié)果

以包裝材料為因素A，二氧化氯濃度為因素B，氯化鈉濃度為因素C。

1)失重率：分析可得A、B和C三個因素對失重率影響的主次順序為：A>B>C。通過方差分析得到因素A對失重率影響顯著(p<0.05)，因素B、C對失重率影響均不顯著(p>0.05)，于是對因素A進行多重比較，得出：PVDC保鮮膜包裝的鮮切菠菜失重率雖低于PE保鮮膜包裝的菠菜，但二者沒有顯著差異(p>0.05)，均顯著優(yōu)于PP保鮮膜(p<0.05)。因此，包裝材料可選擇PVDC保鮮膜或PE保鮮膜。對于其它因素，由于各水平間差異不顯著，根據(jù)失重率得出最佳方案，除PP保鮮膜包裝的三組處理外，其余處理均可。

2)葉綠素含量：三個因素對葉綠素含量影響的主次順序為 A>C>B。方差分析后得出：三個因素對鮮切菠菜的葉綠素含量變化影響均顯著(p<0.05)，分別對其進行多重比較，并結(jié)合直觀效應(yīng)分析，可得：包裝材料對鮮切菠菜葉綠素含量的影響為：PVDC保鮮膜>PE保鮮膜>PP保鮮膜，且兩兩之間均達到顯著水平(p<0.05)；對于因素B，50 mg/L濃度和75 mg/L濃度的二氧化氯水溶液對葉綠素含量的保持效果顯著性(p<0.01)高于100 mg/L濃度的二氧化氯水溶液的顯著性(p<0.05)，前兩者75 mg/L濃度效果優(yōu)于50 mg/L濃度，但差異不顯著(p>0.05)；不同濃度氯化鈉溶液的保鮮效果依次為：1%>0.5%>1.5%，0.5%、1%二者效果差異不顯著(p>0.05)，但均顯著優(yōu)于1.5%的氯化鈉溶液(p<0.05)。故根據(jù)葉綠素含量得出的最佳處理為包裝材料為PVDC保鮮膜，二氧化氯濃度為75 mg/L，氯化鈉濃度為0.5%。

3)菌落總數(shù)：影響菌落總數(shù)的三個因素主次排序為：B>C>A。方差分析后得出三個因素對菌落總數(shù)均構(gòu)成顯著影響(p<0.05)，對三個因素分別做多重比較：PVDC保鮮膜顯著優(yōu)于(p<0.05)PE保鮮膜和PP保鮮膜；75 mg/L的二氧化氯處理的實驗組菌落總數(shù)顯著低于50 mg/L、100 mg/L處理組；氯化鈉濃度0.5%浸泡后的樣品效果顯著優(yōu)于1%、1.5%兩個水平。故根據(jù)菌落總數(shù)篩選出的最佳鮮切處理方案同上。

綜上所述，通過正交實驗得到的菠菜鮮切處理的最佳實驗方案為包裝材料為PVDC保鮮膜，二氧化氯濃度為75 mg/L，氯化鈉濃度為0.5%。

2 貯藏溫度對鮮切蔬菜品質(zhì)變化的影響

根據(jù)菠菜的最佳鮮切處理方案，將其置于0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃四種溫度梯度下進行貯藏，并定期測定菠菜的失重率、葉綠素含量和菌落總數(shù)，以研究其品質(zhì)變化。

實驗方法與測量方法與以上所用方法相同。

2.1 貯藏溫度對鮮切菠菜失重率的影響

如圖1所示，正交條件優(yōu)化后的菠菜在不同溫度條件下貯藏不同時間后，失重率變化顯著(p<0.05)。這是因為，隨著貯藏溫度及時間的增加，菠菜中自由水的含量在逐漸降低。不同溫度(0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃)貯藏，其變化趨勢基本一致。前6 d內(nèi)，變化極顯著(p<0.01)，6～13 d變化趨勢平緩。0 ℃、4 ℃、7 ℃貯藏的鮮切菠菜的失重率在第13 d分別達到了0.81%、0.99%、1.20%，10 ℃樣品貯藏第10 d失重率為1.06%，所以0 ℃菠菜失重率最低，相對保水率最高，是所選儲藏溫度范圍內(nèi)最佳貯藏溫度。

2.2 貯藏溫度對鮮切菠菜葉綠素含量的影響

由圖2可知，不同溫度下貯藏，菠菜內(nèi)葉綠素含量隨時間變化顯著(p<0.05)。不同溫度下貯藏，變化趨勢基本一致，均隨時間的延長呈現(xiàn)降低趨勢。第0 d菠菜中葉綠素含量均為1.33 mg/g，第13 d時0 ℃、4 ℃、7 ℃貯藏的鮮切菠菜樣品葉綠素含量分別為0.77 mg/g、0.68 mg/g、0.63 mg/g，10 ℃樣品在第10 d時葉綠素含量為0.62 mg/g。所以0 ℃貯藏時葉綠素損失率相對較低(42.1%)。

圖1 不同溫度貯藏期間鮮切菠菜失重率的變化Fig.1 The weight-loss rate of fresh-cut spinach in different storage temperature and period

圖2 不同溫度貯藏期間鮮切菠菜葉綠素含量的變化Fig.2 The chlorophyll content of fresh-cut spinach in different storage temperature and period

2.3 貯藏溫度對鮮切菠菜菌落總數(shù)的影響

由圖3可知，不同貯藏溫度對菠菜中菌落總數(shù)變化影響顯著(p<0.05)。隨著貯藏時間的延長，菌落總數(shù)的變化呈現(xiàn)先增加后基本保持不變的趨勢。在不同溫度范圍內(nèi)貯藏，菌落總數(shù)在0 ℃時一直保持最低，4 ℃與7 ℃二者相比，第10 d后，菌落總數(shù)差距較小。10 ℃貯藏不同時間，菌落總數(shù)一直保持最大，因為10 ℃相對于0 ℃、4 ℃、7 ℃更接近菌落的最適生長溫度。所以從菌落總數(shù)分析，0 ℃是所選溫度范圍內(nèi)的最佳貯藏溫度。

圖3 不同溫度貯藏期間鮮切菠菜菌落總數(shù)的變化Fig.3 The TPC of fresh-cut spinach in different storage temperature and period

3 鮮切菠菜品質(zhì)變化動力學模型

溫度是影響菠菜貨架期的主要因素，同時對于主要由微生物引起腐敗變質(zhì)的菠菜，可以通過預(yù)測菌落總數(shù)生長趨勢來預(yù)測食品的貨架期。經(jīng)過Zwietering修正得到的Gompertz方程能更好的描述不同溫度條件下的微生物生長動態(tài)[13]。其表達式為：

N(t)=N0+(Nmax-N0)×

(6)

式中：N(t)是時間t時微生物量的常用對數(shù)值，lg CFU/mL；N0是初始菌落數(shù)的常用對數(shù)值，lg CFU/mL；Nmax是增加到穩(wěn)定期時最大的微生物量的常用對數(shù)值，lg CFU/mL；μmax是微生物生長的最大比生長速率，h-1；τ是微生物生長的延滯時間，h；t是貯藏時間，d。

溫度對微生物生長的影響的動力學模型常用Belehradek方程[14]來描述，其表達式為：

(7)

(8)

式中：b為常數(shù)；T為攝氏溫度，℃；Tmin是一個假設(shè)的概念，是指微生物生長的最低溫度，即在此溫度時微生物的最大比生長速率為零。

將式(6)求得的μmax、τ和對應(yīng)的溫度分別代入公式(7)、公式(8)，擬出b、Tmin的值，將所得參數(shù)值代回原等式，即可得到某特定溫度下的最大比生長速率μmax，從而與貯藏時間t建立聯(lián)系。

實驗數(shù)據(jù)采用Origin 8.5進行處理，并采用適當?shù)臄?shù)學模型進行擬合和回歸。

3.1 基于失重率的品質(zhì)動力學模型

用WL表示失重率，即失重率與時間的變化關(guān)系滿足：

WL-WL0=kt

(9)

式中：WL為貯藏t時間后的失重率的值；WL0為失重率的初始值；k為速率常數(shù)；t為貯藏時間。

根據(jù)鮮切菠菜失重率變化規(guī)律，將0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃下測得的失重率數(shù)值進行線性擬合，得到四種溫度下失重率變化的動力學模型的回歸方程、反應(yīng)速率常數(shù)(k)、調(diào)整決定系數(shù)(Adj.R2)，如表2所示。

表2 不同溫度鮮切菠菜失重率變化動力學模型參數(shù)Tab.2 Kinetics model and parameters for weight-loss rate of fresh-cut spinach in different storage temperature

由表2可知，鮮切菠菜在四個貯藏溫度條件下，擬合所得的失重率的動力學回歸模型的調(diào)整決定系數(shù)均遠大于0.85，具有很高的擬合精度。同時發(fā)現(xiàn)，基于失重率的反應(yīng)速率常數(shù)k隨著貯藏溫度的升高而增加，也就意味著較高的溫度下貯藏的樣品，其重量損失速度也較快。溫度對反應(yīng)速率常數(shù)的影響符合Arrhenius方程，考察鮮切菠菜貯藏過程中失重率變化的速率常數(shù)與溫度的關(guān)系，將k取自然對數(shù)后對1/T作圖，得到lnk與1/T呈線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 鮮切菠菜失重率的Arrhenius曲線Fig.4 Arrhenius curves for weight-loss rate of fresh-cut spinach

根據(jù)鮮切菠菜失重率的Arrhenius線，得到相關(guān)的模型參數(shù)：活化能Ea為2.96×104J/mol；指前因子k0為3.07×104；回歸方程為lnk=10.34-3562/T；決定系數(shù)R2為0.95。

根據(jù)相對預(yù)測誤差公式[15]和Arrhenius方程得：

WL-WL0=k0exp(-Ea/RT)t

(10)

代入數(shù)據(jù)(WL0=0)，得到鮮切菠菜貯藏期間失重率動力學模型為：

WL=WL0+3.07×104exp(-3562/T)t

(11)

3.2 基于菌落總數(shù)的品質(zhì)微生物生長模型

根據(jù)鮮切蔬菜在0 ℃、4 ℃、7 ℃、10 ℃四個溫度下貯藏過程中菌落總數(shù)變化規(guī)律，用Modified Gompertz方程進行曲線擬合，得到相關(guān)的模型參數(shù)見表3。

表3 不同溫度貯藏下鮮切菠菜菌落總數(shù)變化動力學模型參數(shù)Tab.3 Kinetics model parameters for TPC of fresh-cut spinach in different storage temperature

由表3可以看出，在模型擬合的三個參數(shù)中，微生物的最大比生長速率μmax隨著貯藏溫度的升高而增大，延滯時間τ卻隨著貯藏溫度的升高而減短，而最大菌落數(shù)Nmax并未表現(xiàn)出與溫度變化相關(guān)的明顯趨勢，鮮切菠菜最菌落數(shù)均值為8.26917。

圖5 鮮切菠菜菌落總數(shù)的-T曲線Fig.fresh-cut spinach

圖6 鮮切菠菜菌落總數(shù)的-T曲線Fig.6 -T curve for TPC of fresh-cut spinach

結(jié)合Modified Gompertz方程和Belehradek 方程，代入鮮切菠菜的初始菌落數(shù)4.5740，得到鮮切菠菜在貯藏期間菌落總數(shù)增長變化曲線模型，即菠菜菌落總數(shù)動力學模型為：

(12)

3.3 基于葉綠素含量動力學模型

不同溫度條件下，鮮切菠菜的葉綠素含量表現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，經(jīng)origin8.5軟件擬合，發(fā)現(xiàn)滿足Logistic方程：

y=y0-a/[1+exp(b-kx)]

(13)

式中：y0為貯藏初始葉綠素含量，mg/g；a為貯藏過程中葉綠素含量最高值與初始值之差，mg/g；b為延滯時間，h；k為葉綠素變化速率，常數(shù)；b/k為葉綠素含量下降的拐點時間，h；將時間t代替自變量x。

菠菜葉綠素含量擬合的Logistic方程，是預(yù)測微生物學中常用的初級模型，學者們除將其用于微生物生長的曲線擬合外，也根據(jù)方程的基本特征和一般規(guī)律用于食品品質(zhì)動力學模型的建立[16]。經(jīng)比較分析，菠菜葉綠素含量采用品質(zhì)函數(shù)0級模式。

模型擬合后，得到鮮切菠菜葉綠素含量的相關(guān)動力學模型及參數(shù)見表4。

得到葉綠素最大含量與初始含量之差a的值為0.73464(取表中各a值的平均值)。

對葉綠素含量的變化速率k取自然對數(shù)，作lnk-1/T關(guān)系圖，見圖7。

根據(jù)Arrhenius曲線，得到其對應(yīng)的模型及相關(guān)參數(shù)：活化能Ea為1.68×104J/mol；指前因子k0為5.71×102；回歸方程為lnk=6.3473-2026.5/T；決定系數(shù)R2為0.9192。

表4 鮮切菠菜葉綠素含量變化動力學模型及參數(shù)Tab.4 Kinetics model and parameters for chlorophyll content of fresh-cut spinach

圖7 葉綠素含量的Arrhenius曲線Fig.7 Arrhenius curves for Activity of chlorophyll content

圖8 鮮切菠菜貯藏過程中葉綠素含量下降拐點 與溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between inflection point of chlorophyll content and temperature during storage of fresh-cut spinach

由Logistic曲線可知，對葉綠素含量擬合的曲線中，b/k表示品質(zhì)下降拐點的時間，以b/k對溫度T作圖，得到圖8。且從圖中可知，溫度越高，葉綠素含量減少達到拐點的時間越短。故以貯藏期間菠菜葉綠素含量為指標建立的動力學模型表達式為：

y=y0-a/{1+exp[5.71×102exp (-2026.5/T)(112.47-0.379T-t)]}

(14)

4 結(jié)論

1)鮮切菠菜的失重率、菌落總數(shù)均隨著貯藏時間的延長而增大，菠菜葉綠素含量隨著貯藏時間的延長，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。就變化率而言，菌落總數(shù)和葉綠素含量的變化率在儲藏后期變的更小。

2)貯藏期間，溫度對鮮切菠菜的品質(zhì)影響顯著。冰溫儲藏條件0 ℃下的貯存樣品均顯著優(yōu)于其它溫度條件貯存的樣品，且溫度越高，菠菜葉綠素含量越低。隨著溫度升高，葉綠素含量變化幅度也增大，因此溫度較高時，鮮切菠菜腐爛快，貨架期短。所以溫度是鮮切菠菜生產(chǎn)、貯藏及運輸過程中一個非常關(guān)鍵的控制因素。

3)所擬合的品質(zhì)變化動力學模型，很好表達了品質(zhì)與儲藏溫度、儲藏時間的關(guān)系，這可以用作貨架期預(yù)測的實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文受天津市科技支撐項目(14ZCZDNC00016，13ZCZDNC01500)資助。(The project was supported by the Technologies R & D Program of Tianjin (No. 14ZCZDNC00016 & No. 13ZCZDNC01500).)

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About the corresponding author

Liu Bin, male, professor, Department of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, +86 22-26667502, E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn. Research fields: cold chain and related research work.

Dynamic Models of Fresh-cut Spinach in Different Cold Storage Temperature

Wang Chao1Liu Bin1Gong Yufen2Wang Suying2

(1. Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China；Tianjin Key Laboratory of Food Biotechnology, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China)

The best treatment design of fresh-cut spinach was established by using orthogonal test. Spinaches were firstly immersed in two solutions (75 mg/LClO2and 0.5% NaCl) for 10 minutes successively, and then packed with PVDC cling film. Subsequently, they were evenly distributed and stored in different cold rooms at 0 ℃, 4 ℃, 7 ℃ and 10 ℃. The relationship between the quality change of samples and storage time and temperature was studied by measuring the indexes of the weight loss, the chlorophyll content and the total plate count (TPC). The experimental results show that the chlorophyll content of the spinach is reduced with the increase of storage temperature and time, while the weight loss and TPC are increased. All results indicate that ice temperature (0 ℃) is the best storage temperature of fresh-cut spinach. Based on experimental data, the dynamic models of weight loss, chlorophyll content and total plate count (TPC) were established, and the parameter of the activity energy in the model were obtained, which provides the theoretical foundation for the shelf-life prediction of the fresh-cut spinach.

cold storage; dynamic model; temperature gradient; fresh-cut spinach

2014年12月5日

0253- 4339(2015) 06- 0098- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.06.098

TS255.3

A

劉斌，男，教授，天津商業(yè)大學制冷與空調(diào)工程系，(022)26667502, E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn。研究方向：低溫物流技術(shù)及相關(guān)研究工作。