萬金敏,楊麗娜,葛武鵬,*,張 靜,耿 煒,李小鵬,吳小勇
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.陜西咸陽質(zhì)量技術(shù)檢測檢驗所,陜西 咸陽 712000;3.咸陽市食品藥品檢測檢驗中心,陜西 咸陽 712000)
西藏牦牛奶渣中優(yōu)勢乳酸菌產(chǎn)胞外多糖及其耐受性
萬金敏1,楊麗娜1,葛武鵬1,*,張 靜1,耿 煒2,李小鵬3,吳小勇3
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.陜西咸陽質(zhì)量技術(shù)檢測檢驗所,陜西 咸陽 712000;3.咸陽市食品藥品檢測檢驗中心,陜西 咸陽 712000)
從分離自西藏牦牛奶渣的113 株乳酸菌中篩選出4 株優(yōu)勢菌株(GY-L003、GY-L004、GY-L055、GYL112),對其產(chǎn)胞外多糖(exopolysaccharide,EPS)能力、耐酸能力、耐膽酸鹽能力、耐滲透壓能力及抑菌能力進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明:4 株乳酸菌產(chǎn)EPS能力不盡相同,其中性能最優(yōu)的菌株為GY-L003,為379.94 mg/L;4 株菌株表現(xiàn)出不同的耐受能力,其中GY-L003和GY-L004在pH 1.5條件下仍能存活;當(dāng)膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.4%時,GY-L003和GY-L004亦能生存,GY-L055和GY-L112則受到抑制;在耐滲透壓方面,GY-L003和GY-L004性能較優(yōu),9% NaCl溶液中仍能生長;4 株菌均具較好的抑菌特性,對金黃色葡萄球菌抑制最強的為GY-L004,抑菌圈可達(dá)(15.94±0.31) mm;GY-L003對大腸桿菌和沙門氏菌的抑制效能最強,抑菌圈分別為(18.21±0.65)、(16.27±0.50) mm;GY-L112對單增李斯特菌抑菌效果佳,抑菌圈為(15.24±0.35) mm。綜上,GY-L003和GYL004產(chǎn)EPS、耐受性、抑菌能力等性能俱佳,具有較好的應(yīng)用潛力,為工業(yè)化利用提供了參考依據(jù)。
乳酸菌;胞外多糖;耐受特性;抑菌活性
奶渣是西藏牧民制取奶油后得到的一種特色發(fā)酵乳品,一直是沿襲傳統(tǒng)而古老的方法制作而成,其制作過程是將牦牛鮮乳或者提制酥油后的脫脂乳加熱處理后,經(jīng)自然發(fā)酵、過濾、加糖調(diào)配、成型、干制等工序制成。產(chǎn)品特點是質(zhì)地較硬,易于保存,是高原牧民重要的蛋白質(zhì)食物來源之一,在野外放牧生活中食用十分方便[1]。奶渣營養(yǎng)價值豐富,富含脂肪酸、蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素等[2],色白味酸,具有較好的助消化作用,并有一定滋補氣血作用,牧區(qū)民眾普遍喜食。奶渣中具有較為豐富的微生物菌相,是獲取具有優(yōu)良發(fā)酵性能乳酸菌的主要來源[3-4]。
乳酸菌應(yīng)用范圍愈來愈廣,其多樣的代謝產(chǎn)物具有很好的改善食品質(zhì)構(gòu)能力及不同營養(yǎng)特性。其產(chǎn)生的胞外多糖(exopolysaccharide,EPS)具有乳化穩(wěn)定特性及調(diào)節(jié)免疫能力、抗?jié)儭⒏纳颇c道菌群等特性。EPS是天然的增稠劑和品質(zhì)改良劑,可以增強發(fā)酵乳制品的黏性、穩(wěn)定性和保水性,減少脫水收縮和奶酪加工中的乳清析出[5],從而改善發(fā)酵乳制品的口感、質(zhì)地和風(fēng)味[6]。并且,來源于乳酸菌的EPS對機體無毒副作用,具有來源安全可靠等優(yōu)點。最新的研究發(fā)現(xiàn)EPS能提高益生菌在胃腸道中定殖能力,可作為益生元促進(jìn)益生菌在腸道增菌定殖[7]。產(chǎn)EPS的乳酸菌及其產(chǎn)生的EPS廣泛應(yīng)用于酸奶、低脂奶酪、餐后甜點等發(fā)酵乳制品的生產(chǎn)中[8]。
優(yōu)選自傳統(tǒng)發(fā)酵乳制品中的乳酸菌,經(jīng)過純化、活化及發(fā)酵性能改良,能適應(yīng)腸道菌群,和諧共生于腸道微生態(tài)體系,保持微生態(tài)平衡,抑制腸道內(nèi)腐敗菌繁殖和有害產(chǎn)物的產(chǎn)生,代謝產(chǎn)生多種營養(yǎng)因子,刺激或促進(jìn)營養(yǎng)成分吸收轉(zhuǎn)化[9-10]。具備成為益生菌的乳酸菌,其前提是應(yīng)具有良好的耐受性能(耐酸、耐膽酸鹽、耐滲透壓)和抑菌能力。
本研究從西藏牦牛奶渣中依據(jù)不同發(fā)酵性能篩選出4 株優(yōu)勢菌株,對其產(chǎn)EPS能力、體外耐酸、耐膽酸鹽、耐滲透壓能力及其抑菌能力進(jìn)行比較評價,為其工業(yè)化利用提供技術(shù)參考。
1.1 菌種
乳酸菌菌種來自西北農(nóng)林科技大學(xué)乳品科學(xué)實驗室,是從西藏牦牛奶渣中分離得到的113 株乳酸菌菌株,經(jīng)比對其不同發(fā)酵性能篩選出4 株優(yōu)勢菌株,分別是類干酪乳桿菌類干酪亞種(Lactobacillus. paracasei ssp. paracasei)GY-L003、類干酪乳桿菌類干酪亞種(L. paracasei ssp. paracasei)GY-L004、鼠李糖乳桿菌(L. rhamnosus)GY-L055、瑞士乳桿菌(L. helveticus)GY-L112;大腸桿菌ATCC25922、金黃色葡萄球菌ATCC29213、沙門氏菌ATCC14028、單增李斯特菌ATCC54004均購自中國工業(yè)微生物菌種保藏中心。
1.2 試劑與培養(yǎng)基
牛膽酸鹽、氯化鈉 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;三氯乙酸、苯酚、濃硫酸 成都科龍化工試劑廠。
MRS肉湯培養(yǎng)基 北京陸橋技術(shù)股份有限公司。
1.3 儀器與設(shè)備
DRP-9162型電熱恒溫培養(yǎng)箱 上海森信實驗儀器有限公司;UV-2802型紫外分光光度計 上海尤尼柯儀器有限公司;PHSJ-3F型數(shù)顯pH計 賽多利斯科學(xué)儀器有限公司;FC104型分析天平 長沙湘平科技發(fā)展有限公司;HC3018型高速離心機 安徽科大中佳有限公司;YXQ-LS-50S11型立式蒸汽滅菌器 上海博訊實業(yè)有限公司。
1.4 方法
1.4.1 乳酸菌EPS提取
乳酸菌按體積分?jǐn)?shù)3%接種于MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃條件下靜置培養(yǎng)24 h,取10 mL乳酸菌發(fā)酵液,加入250 μL體積分?jǐn)?shù)為80%的三氯乙酸溶液,使蛋白質(zhì)變性沉淀,5 000×g離心10 min去菌體,上清液裝入透析袋中流水透析48 h。透析液中加入3 倍體積的95%乙醇,4 ℃條件下冷藏過夜,多糖呈絮狀沉淀析出,4 ℃、8 000×g離心20 min,棄上清液,得到沉淀后的EPS[11]。將EPS溶于10 mL蒸餾水中,得到EPS溶液。采用苯酚-硫酸法測定EPS質(zhì)量濃度,測定490 nm波長處的吸光度,以葡萄糖質(zhì)量濃度(mg/L)為橫坐標(biāo),吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過標(biāo)準(zhǔn)曲線(y=0.719 8x+ 0.019,R2=0.996 7)確定對應(yīng)的多糖質(zhì)量濃度[12]。EPS含量為樣品多糖質(zhì)量濃度減去未接種乳酸菌的空白培養(yǎng)基的背景干擾值[13]。
1.4.2 乳酸菌耐酸能力測定
將活化好的4 株菌株按3%接種量分別接入pH 1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5的MRS液體培養(yǎng)基中,37 ℃恒溫靜置培養(yǎng),使用菌落平板計數(shù)法分別于0、2、4、6、24 h進(jìn)行活菌計數(shù),平行測試3 次[14]。
1.4.3 乳酸菌耐膽酸鹽能力測定
MRS液體培養(yǎng)基中牛膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.00%、0.05%、0.10%、0.40%、0.80%、1.20%,其他培養(yǎng)及測試條件同1.4.2節(jié)[15]。
1.4.4 乳酸菌耐滲透壓能力測定
MRS液體培養(yǎng)基中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為為0%、1%、3%、5%、7%、9%,其他培養(yǎng)及測試條件同1.4.2節(jié)。
1.4.5 抑菌活性的測定
采用牛津杯法[16]篩選具有抑菌活性的乳酸菌。將20 mL LB培養(yǎng)基倒入直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中,水平靜置至凝固,將指示菌菌懸液100 μL均勻涂布在LB固體培養(yǎng)基上,固定1 h。在每個平皿中等距離放置牛津杯4 個,其中3 個牛津杯中加入200 μL乳酸菌上清液,其余一個作為對照加入等量的滅菌MRS液體培養(yǎng)基,于37 ℃培養(yǎng)16 h,觀察并測量抑菌圈。每個菌株平行3 次。
2.1 4 株優(yōu)勢乳酸菌產(chǎn)EPS能力比較
圖 1 乳酸菌菌株產(chǎn)EPS能力差異Fig. 1 EPS-producing ability of selected LAB strains
由圖1可知,4 株乳酸菌產(chǎn)EPS的能力差別較大,其中GY-L003性能最優(yōu),EPS產(chǎn)量為379.94 mg/L;其次是GYL004,EPS產(chǎn)量為333.46 mg/L;其余2 株GY-L055、GYL112產(chǎn)EPS能力表現(xiàn)一般,依次為272.54、244.51 mg/L。Degeest等[17]研究發(fā)現(xiàn),乳酸菌在合成和半合成培養(yǎng)基中產(chǎn)EPS的能力一般在40~600 mg/L之間,本研究結(jié)果與其一致。由此得到GY-L003、GY-L004是2 株產(chǎn)EPS性能較佳的乳酸菌,具有商業(yè)開發(fā)潛力。菌株不同,EPS的合成產(chǎn)量差別較大,原因包括:遺傳因素,即菌株自身因素影響。乳酸菌合成EPS在基因水平上的不穩(wěn)定,導(dǎo)致其EPS的合成量差異顯著;培養(yǎng)基種類、培養(yǎng)基初始pH值、培養(yǎng)溫度、氨基酸種類及含量等外在因素的影響。菌株、培養(yǎng)基種類和培養(yǎng)條件對EPS合成都有不同程度的影響,這些因素之間并不是孤立的,而是相互影響的。如果能夠平衡它們之間的關(guān)系,優(yōu)化出最佳條件,對于提高EPS的合成量具有重要的應(yīng)用價值[18]。
2.2 4 株菌耐酸能力比對
圖 2 4 株乳酸菌對不同pH值的耐受力Fig. 2 Tolerance of LAB strains to different pH values
乳酸菌到達(dá)腸道之前,必須先經(jīng)過胃酸環(huán)境,胃酸pH值可低至1.5。胃酸對微生物的生存影響很大,大部分來自食物中的微生物會被胃液中的胃酸殺死[19]。乳酸菌能夠順利通過胃酸屏障存活下來,必須具有一定的耐酸能力,這是篩查益生菌的首要條件。由圖2可知,4 株菌株隨著pH值的不斷降低,隨著培養(yǎng)時間的延長各菌株的生存狀態(tài)表現(xiàn)出高度一致性,菌體生長均呈現(xiàn)隨pH值的降低而減小的現(xiàn)象,減小幅度不盡相同;同一菌株在不同pH值時表現(xiàn)了不同的生存狀態(tài),在弱酸性條件下呈現(xiàn)增菌繁殖狀態(tài),在低酸性條件下呈現(xiàn)繁殖能力略增、持平或下降態(tài)勢,表明不同菌株對酸的耐受能力不同。GY-L055耐酸能力最弱,在pH 2.5、1.5時,4 h后活菌數(shù)遠(yuǎn)小于初始狀態(tài),表明活菌衰減迅速,菌體處于低生存狀態(tài),可能是由于pH值過低,導(dǎo)致乳酸菌無法維持自身細(xì)胞內(nèi)pH值的穩(wěn)定,從而導(dǎo)致生長停滯,甚至衰亡。GY-L112在pH 2.5時,培養(yǎng)24 h后,菌體濃度仍接近104CFU/mL;pH 1.5時,菌體濃度下降迅速,在24 h時幾乎為零,看出該菌株幾乎被完全抑制,藉此判定該菌株耐酸極限pH 2.5。對于GY-L003和GY-L004兩株菌而言,即使在極低pH 1.5條件下,菌體濃度仍高于103CFU/mL,故判定這兩株菌具有較好的耐酸性。
2.3 耐膽酸鹽能力測試評價
乳酸菌耐受膽酸鹽的能力是其能在腸道中存活的必要條件,因此耐膽酸鹽能力是益生菌微生物的一個重要特征[20]。菌株的生長受膽酸鹽的影響很大,不同菌株的膽酸鹽耐受性差異明顯。人體小腸中膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.03%~0.3%之間波動,能夠在正常生理膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)中生長和代謝的菌株才可能在腸道消化過程中存活[21]。由圖3可知,培養(yǎng)24 h,4 株菌活菌數(shù)隨著膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加而降低;同一菌株在膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高時,表現(xiàn)出不同的生長態(tài)勢。在0.4%及更高的膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)下,2 h后GY-L055和GY-L112的活菌數(shù)遠(yuǎn)小于初始狀態(tài),菌株處于低生命狀態(tài),說明菌株的生長已被抑制,對膽酸鹽較為敏感,表明其膽酸鹽耐受力差。圖3清晰顯示出GY-L003和GY-L004在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時活菌數(shù)達(dá)到105CFU/mL以上,而在更高的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下(0.8%、1.2%)菌株生長受到抑制,表明乳酸菌生長繁殖過程中雖均具有一定的耐膽酸鹽能力,但耐受能力各不相同,這對于益生菌篩選是更不容忽視的。根據(jù)菌體活菌數(shù)生長狀況比較,GY-L004能力優(yōu)于GY-L003。
圖 3 4 株菌對不同膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的耐受力Fig. 3 Tolerance of four LAB strains to different bile salt concentrations
2.4 耐滲透壓能力比較
圖 4 4 株乳酸菌對不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl的耐受力Fig. 4 Tolerance of four LAB strains to different NaCl concentrations
微生物能否在胃腸道中存活,滲透壓耐受性亦是關(guān)鍵評價指標(biāo)之一。微生物對滲透壓變化有一定的適應(yīng)能力,突然增大或減小,對微生物的生長不利,甚至死亡[21]。由圖4可知,不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl下,4 株菌表現(xiàn)出了各不相同的耐受能力。菌株GY-L112耐滲透壓能力最弱,在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%、9%時,生長過程中活菌數(shù)遠(yuǎn)小于初始狀態(tài),說明其生存狀態(tài)已經(jīng)被抑制。GY-L055菌株在9% NaCl條件下基本不能生存。而GY-L003和GY-L004在所有質(zhì)量分?jǐn)?shù)下均表現(xiàn)出一定的生存能力,培養(yǎng)24 h后,活菌數(shù)分別在106CFU/mL和105CFU/mL以上,在NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)漸次提高時,相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下GY-L003比GY-L004表現(xiàn)出較好的耐受性能,據(jù)此GY-L003的耐滲透壓能力最優(yōu)。不同微生物對耐受能力的考核側(cè)重點不同,對于乳酸菌來說,主要考察耐酸、耐膽酸鹽、耐滲透壓能力。乳酸菌產(chǎn)生的EPS可作為益生元促進(jìn)腸道內(nèi)其他益生菌的生長,調(diào)節(jié)腸道菌群。乳酸菌的抑菌機理是:進(jìn)入腸道后,通過黏附定植、競爭性排斥病原菌的黏附、產(chǎn)生多種抑菌物質(zhì)以保護(hù)腸黏膜上皮細(xì)胞免受各種病原微生物的損害[22]。這些功能起作用的前提是乳酸菌進(jìn)入腸道定植的過程中要能經(jīng)受耐酸、耐膽酸鹽和耐滲透壓能力的檢驗。因此乳酸菌的耐酸、耐膽酸鹽和耐滲透壓能力是使其具有益生功能的重要指標(biāo)。將篩選出的乳酸菌進(jìn)行耐酸、耐膽酸鹽和耐滲透壓實驗以確定乳酸菌能適應(yīng)腸道環(huán)境。
2.5 4 株菌抑菌特性比較
表 1 乳酸菌菌株的抑菌結(jié)果Table 1 The antibacterial activities of LAB strains
由表1可知,在對大腸桿菌的抑制作用中,GYL003的抑菌效果最強,抑菌圈為(18.21±0.65) mm,G Y-L 0 0 4的抑菌效果僅次于G Y-L 0 0 3,為(16.27±0.41) mm;對金黃色葡萄球菌的抑制作用中,GY-L004的抑菌圈達(dá)到(15.94±0.31) mm,抑菌效果最好,其次是G Y-L 0 5 5的抑菌圈達(dá)到(15.20±0.35) mm;對沙門氏菌抑菌作用最強的為GYL003抑菌圈為(16.27±0.50) mm;對單增李斯特菌的抑制作用中,GY-L112的抑菌效果最強,抑菌圈為(15.24±0.35) mm。乳酸菌在代謝過程中會產(chǎn)生有機酸、細(xì)菌素、過氧化氫和類細(xì)菌素等物質(zhì)[23]。有研究表明[24],這類物質(zhì)可以抑制胃腸道中的有害微生物,如大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌、單增李斯特菌等生長繁殖,對致病菌引起的腸道感染、腹瀉等疾病有預(yù)防和保護(hù)作用。目前消費者越來越青睞安全的、不添加防腐劑的產(chǎn)品。乳酸菌是國際公認(rèn)安全微生物,抗致病菌乳酸菌食品的防腐方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。因此,對菌株抑菌能力進(jìn)行研究,篩選出抑菌能力較強的乳酸菌也是不容忽視的。
本實驗測定出4 株乳酸菌菌株具有不同的產(chǎn)EPS
能力,性能較優(yōu)的是GY-L003和GY-L004,EPS產(chǎn)量為
379.94 、333.46 mg/L。4 株乳酸菌均表現(xiàn)出不同程度的發(fā)酵耐受特性,GY-L003和GY-L004在極限pH 1.5、膽酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.4%、NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)9%時活菌數(shù)分別達(dá)到103、105、105CFU/mL以上,表現(xiàn)出較好的耐受性。抑菌能力比較,4 株菌株表現(xiàn)出不同的抑菌特性。抑制金黃色葡萄球菌能力最強的為GY-L004,抑菌圈達(dá)(15.94±0.31) mm;GY-L003對大腸桿菌和沙門氏菌的抑制作用均最強,抑菌圈分別達(dá)(18.21±0.65)、(16.27±0.50) mm;對單增李斯特菌的抑制GY-L112
性能最優(yōu),最大抑菌圈達(dá)(15.24±0.35) mm。綜合比較,GY-L003和GY-L004產(chǎn)EPS能力、耐受能力及抑菌能力較為突出,具有開發(fā)利用價值。
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Exopolysaccharide (EPS)-Producing Ability and Tolerance of Dominant Lactic Acid Bacteria (LAB) Strains from Yak Milk Dreg in Tibet
WAN Jinmin1, YANG Lina1, GE Wupeng1,*, ZHANG Jing1, GENG Wei2, LI Xiaopeng3, WU Xiaoyong3
(1. College of Food Science and Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. Institute of Inspection of Xianyang Bureau of Quality and Supervision, Xianyang 712000, China; 3. Xianyang Food and Drug Inspection Center, Xianyang 712000, China)
A total of 113 strains of lactic acid bacteria (LAB) were isolated from yak milk dreg in Tibet. Out of these, four dominant LAB stains were screened and compared for their exopolysaccharide (EPS)-producing ability, acid, bile and osmotic pressure tolerance, and antimicrobial activity. Results demonstrated that the EPS-producing abilities were different for the 4 selected strains, with strain GY-L003 producing the highest yield of EPS (379.94 mg/L). The LAB strains exhibited different levels of tolerance to three environmental factors and strains GY-L003 and GY-L004 could survive at extremely acidic pH of 1.5. At a bile concentration of higher than 0.4%, GY-L003 and GY-L004 could grow while GY-L055 and GY-L112 were inhibited. In terms of osmotic tolerance, GY-L003 and GY-L004 were superior, being able to grow when NaCl concentration was up to 9%. All four LAB strains had strong antimicrobial activity, among which GY-L004 had the strongest inhibitory effect against Staphylococcus aureus, with an inhibition zone diameter of (15.94 ± 0.31) mm, GY-L003 had the strongest inhibitory effect against both E. coli and Salmonella, with an inhibition zone circle of (18.21 ± 0.65) and (16.27 ± 0.50) mm, respectively, and GY-L112 exhibited the strongest inhibitory effect against Listeria monocytogenes with an inhibition zone diameter of (15.24 ± 0.35) mm. Taken collectively, our results suggested that both GY-L003 and GY-L004 had high EPS-producing ability, good tolerance to acid, bile and osmotic pressure, and strong antimicrobial activity. Accordingly, these strains have a good application potential and can provide a reference basis for application in the production of fermented dairy products.
lactic acid bacteria; exopolysaccharide; tolerance; antimicrobial activity
2016-08-15
陜西省科技廳戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重大產(chǎn)品(群)項目(2015KTCQ03-08)
萬金敏(1990—),女,碩士研究生,研究方向為食品科學(xué)。E-mail:agerkp67321@126.com
*通信作者:葛武鵬(1965—),男,副教授,博士,研究方向為食品科學(xué)。E-mail:josephge@sina.com
10.7506/spkx1002-6630-201710017
TS252.1
A
1002-6630(2017)10-0098-06引文格式:
萬金敏, 楊麗娜, 葛武鵬, 等. 西藏牦牛奶渣中優(yōu)勢乳酸菌產(chǎn)胞外多糖及其耐受性[J]. 食品科學(xué), 2017, 38(10): 98-103.
10.7506/spkx1002-6630-201710017. http://www.spkx.net.cn
WAN Jinmin, YANG Lina, GE Wupeng, et al. Exopolysaccharide (EPS)-producing ability and tolerance of dominant lactic acid bacteria (LAB) strains from yak milk dreg in Tibet[J]. Food Science, 2017, 38(10): 98-103. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201710017. http://www.spkx.net.cn