陳雨鑫,王 京,夏一森,劉 柳,孫長(zhǎng)霞
(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083)
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堅(jiān)果果殼棕色素的提取方法·活性及應(yīng)用
陳雨鑫,王 京,夏一森,劉 柳*,孫長(zhǎng)霞
(北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100083)
堅(jiān)果中含有極其豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),有助于人們的身體健康,而其殼中所含的棕色素作為一種天然色素,具有一定的抗氧化性、抑菌性等特性,有延緩衰老、抑制細(xì)菌生長(zhǎng)等功能,具有良好的發(fā)展前景。對(duì)堅(jiān)果果殼棕色素的提取方法,抗氧化性、抑菌性等特性及其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行綜述,并對(duì)其未來的發(fā)展進(jìn)行展望,以期為堅(jiān)果果殼的資源利用提供參考。
堅(jiān)果殼;棕色素;提取方法;活性
堅(jiān)果果皮堅(jiān)硬,內(nèi)含種子,具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。堅(jiān)果含有較高的脂肪、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)成分,具有降低膽固醇、清除自由基等特性,同時(shí)還具有延緩衰老、補(bǔ)腦益智、提高視力等功效,擁有很大的市場(chǎng)價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景,如榛子、板栗、松仁以及核桃、開心果等都是人們所熟知并喜愛的堅(jiān)果。然而對(duì)于堅(jiān)果果殼的處理,大多數(shù)以掩埋、焚燒的方法進(jìn)行處理,這不僅造成資源的浪費(fèi),還會(huì)造成環(huán)境的污染。近年來,許多學(xué)者對(duì)堅(jiān)果果殼進(jìn)行了研究,研究表明,堅(jiān)果果殼具有良好的吸附能力[1]、抗氧化性、抑菌性等,可以很好地代替許多食品添加劑中的化學(xué)成分,降低人們對(duì)食品添加劑會(huì)損害身體健康的擔(dān)憂。同時(shí),堅(jiān)果果殼中的棕色素具有養(yǎng)顏、美容、降脂、抗衰老、減肥等重要生理活性功能,在食品、藥品、化妝品等行業(yè)中廣泛使用。筆者將從堅(jiān)果果殼提取、純化、活性等方面對(duì)堅(jiān)果果殼的棕色素研究發(fā)展進(jìn)行闡述,旨在為更好地開發(fā)利用堅(jiān)果果殼提供參考。
天然色素是由天然資源獲得的食用色素,主要從動(dòng)物和植物組織及微生物(培養(yǎng))中提取的色素,其中植物性著色劑占多數(shù)。天然色素不僅具有給食品著色的作用,且部分天然色素具有生理活性,它可以改善食品色澤,增加營(yíng)養(yǎng)并能提高安全性。天然色素是食品加工過程中決定食品質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一,另外在化妝品和醫(yī)藥工業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用[2]。天然色素大部分從植物中提取,少部分從動(dòng)物及微生物中提取出來。按其功效成分分類,主要有類胡蘿卜素類色素、黃酮類色素、花青苷類色素、葉綠素類色素等[3]。
雖然合成色素具有色澤鮮艷、著色力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、易于溶解調(diào)色、成本較低等優(yōu)點(diǎn),但陸續(xù)發(fā)現(xiàn)合成色素中不少品種具有嚴(yán)重的慢性毒性和致癌性[4]。因此,與合成色素相比,天然色素絕大多數(shù)無毒無害;許多食用的天然色素中還有人體所必需的物質(zhì),如黃酮類的色素中含有去氫氧離子,有助于延緩衰老;天然色素著色力更為自然,更受消費(fèi)者的喜愛和信賴。但天然色素對(duì)自然光、pH、金屬離子等較為敏感,具有應(yīng)用范圍窄、專用性強(qiáng)等缺點(diǎn)。棕色素作為天然色素之一,可以廣泛應(yīng)用在食品、化妝品、藥品等領(lǐng)域中。
許多研究人員推測(cè),堅(jiān)果果殼中棕色素具有抗氧化性、抑菌性、穩(wěn)定性等,主要是因?yàn)樵趫?jiān)果果殼的棕色素中含有黃酮類物質(zhì),但目前關(guān)于棕色素的具體分子結(jié)構(gòu)沒有定論。王靜[2]對(duì)榛子殼中的棕色素進(jìn)行研究,結(jié)果表明榛子殼棕色素屬于黃酮類化合物;陳曉等[5]對(duì)山核桃棕色素進(jìn)行紅外光譜分析,結(jié)果表明該棕色素含有苯環(huán)和酚羥基;李云雁等[6]對(duì)板栗殼色素做了多項(xiàng)定性分析,證明了板栗殼色素為黃酮類物質(zhì);賈陸等[3]也在板栗殼化學(xué)成分的研究中經(jīng)過單項(xiàng)預(yù)試驗(yàn)確定從板栗殼中提取出來的色素為黃酮類物質(zhì),屬于一般植物原料中難以得到的棕色素系列。李永祥等[7]對(duì)板栗殼中色素純化后進(jìn)行紫外-可見譜和紅外光譜分析,并結(jié)合色素的化學(xué)性質(zhì)鑒定,初步推斷板栗殼色素含有苯環(huán)及酚羥基,而不具有典型黃酮類色素的結(jié)構(gòu)。張曉云等[8]對(duì)蘇芡種殼提取出的棕色素進(jìn)行了紅外光譜分析,證明棕色素中具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)。黃酮類母體、二氫黃酮醇類、花色素類、黃酮類結(jié)構(gòu)圖分別見圖1~4。
圖1 黃酮類母體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of parent flavonoid
圖2 二氫黃酮醇類結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of dihydro flavonols
圖3 花色素類結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of anthocyan
圖4 黃酮類結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of flavonoid
對(duì)于堅(jiān)果果殼中天然色素提取的研究方法有很多,大部分以浸提的方法提取殼中的棕色素,其中包括乙醇提取法、NaHCO3/Na2CO3提取法、超聲波提取法、微波提取法、CO2超臨界萃取等。
3.1浸提法浸提法是將樣品浸泡在溶劑中,將固體樣品中的某些組分浸提出來的方法。因?yàn)閳?jiān)果果殼棕色素具有良好的水溶性,易溶于極性溶劑,而不溶于非極性溶劑,因此根據(jù)這一特性,可以采用溶劑浸提法進(jìn)行提取。段蕊等[9]以不同濃度的乙醇對(duì)板栗殼中棕色素進(jìn)行了提取,結(jié)果表明可以比較好地提取出板栗殼中的棕色素。陳連文等[10]利用NaHCO3溶液對(duì)板栗殼進(jìn)行了提取,結(jié)果表明在室溫下即可從板栗殼中提取得到棕色素,并且獲得了較高的提取率。張亞平[11]通過對(duì)棕色素理化性質(zhì)的分析,確定了棕色素的提取條件:利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的NaOH,在溫度80 ℃下提取3 h,就可以獲得較高的提取率。吳雪輝等[12]利用乙醇對(duì)板栗殼中的天然食用色素進(jìn)行了提取,確定較理想的色素提取條件:乙醇體積分?jǐn)?shù)30%,提取溫度90 ℃,提取時(shí)間3 h,料液比1∶30 g/mL,提取次數(shù)為3次。利用溶劑法提取堅(jiān)果果殼中的棕色素具有操作過程比較簡(jiǎn)單、成本低、提取率較高等特點(diǎn)。
3.2超聲波提取法超聲波提取(也稱為超聲波萃取)以其提取溫度低、提取率高、提取時(shí)間短的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被具有創(chuàng)新意識(shí)者應(yīng)用于中藥材和各種動(dòng)、植物有效含量的提取,是替代傳統(tǒng)剪切工藝方法實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保式提取的現(xiàn)代高新技術(shù)手段。超聲波提取有2層含義:超聲技術(shù)的應(yīng)用和藥物中化學(xué)成分的提取,即利用超聲波所產(chǎn)生的空化等特殊作用,將藥物中所含化學(xué)成分快速高效地提取出來的一項(xiàng)新的提取技術(shù)。劉平[13]以板栗殼為原料,采用超聲波法提取板栗殼色素,重點(diǎn)研究了提取劑、提取時(shí)間、提取溫度、超聲波功率、固液比和提取次數(shù)對(duì)色素提取率的影響。當(dāng)提取溫度70 ℃,提取時(shí)間90 min,固液比1∶15 g/mL,超聲波功率500 W,提取2次時(shí),超聲波法提取板栗殼色素的提取率可達(dá)11.64%。吳春華等[14]采用超聲波法從核桃殼中提取棕色素,探討了超聲波處理時(shí)間、溶劑和固液比對(duì)棕色素得率的影響。結(jié)果表明,超聲波處理時(shí)間為40 min,提取液乙醇濃度為50%,固液比(質(zhì)量比)為1∶10,產(chǎn)物棕色素的得率較高,產(chǎn)率為7.25%。劉建平等[15]采用超聲波輔助提取技術(shù)對(duì)山核桃殼中的棕色素進(jìn)行了提取,通過響應(yīng)面法優(yōu)化提取工藝,得到較高的提取率。利用超聲波提取堅(jiān)果果殼中的棕色素可以提高提取效率,縮短提取時(shí)間,降低成本,從節(jié)約能源以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的角度來看,超聲波提取法優(yōu)于傳統(tǒng)浸提法[16]。
3.3微波提取法微波是頻率為300 MHz~300 GHz的高頻電磁波,在微波場(chǎng)中,吸收微波能力的差異使得萃取體系中的某些組分被選擇性加熱,從而使得被萃取物質(zhì)從體系中分離。微波提取法具有提取時(shí)間短、降低能源消耗、減少廢料產(chǎn)生等特點(diǎn),有著良好的發(fā)展前景。吳春華等[17]利用微波提取法對(duì)板栗殼棕色素進(jìn)行了提取,獲得了良好的提取率,其最佳提取工藝條件為乙醇溶液體積分?jǐn)?shù)40%,浸提溫度75 ℃,微波輻照時(shí)間13 min,料液比1∶20 g/mL,板栗殼棕色素的得率為7.02%。邱賀媛等[18]利用微波提取技術(shù)對(duì)油茶果殼中的棕色素進(jìn)行了提取,最佳提取條件為微波輻照時(shí)間240 s、微波功率320 W、乙醇體積分?jǐn)?shù)70%、料液比1∶10 g/mL,該條件下得率可以達(dá)到5.92%。
3.4超臨界萃取法超臨界萃取技術(shù)(Supercritical Fluid Extraction,SFE)是在超臨界狀態(tài)下將超臨界流體與待分離的物質(zhì)接觸,使其有選擇性地依次將極性大小、沸點(diǎn)高低和相對(duì)分子質(zhì)量大小不同的成分萃取出來[19-22]。SFE一般用CO2做萃取劑,因?yàn)榕R界狀態(tài)的CO2對(duì)有機(jī)物溶解能力強(qiáng)、選擇性好,且CO2無毒、穩(wěn)定、易分離、廉價(jià)易得、無污染,利于環(huán)境保護(hù)[20-22]。
左旭乾[23]以板栗殼為研究對(duì)象,對(duì)乙醇做提取劑的溶劑浸提法和超臨界CO2流體萃取法進(jìn)行了細(xì)致比較,結(jié)果表明浸提法的棕色素提取率為4.6%,超臨界CO2流體萃取法的棕色素提取率為21.3%,且棕色素純度為95.3%。利用超臨界萃取技術(shù)具有保持分離產(chǎn)品生物活性、提高分離效率和萃取純度、安全無毒、操作簡(jiǎn)單、省時(shí)高效等眾多優(yōu)點(diǎn),所以在食品工業(yè)、精細(xì)化工、醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域上已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。
3.5酶解法酶工程技術(shù)是近幾年用于天然植物有效成分提取的一項(xiàng)生物技術(shù),選用合適的酶可以較溫和地將植物組織分解,加速有效成分的釋放,從而提高提取率[2]。在色素提取的過程中,色素往往被包在細(xì)胞壁內(nèi)部,而大部分植物的細(xì)胞壁由纖維素構(gòu)成[24],因此常用纖維素酶和果膠酶分解細(xì)胞壁,從而增大胞內(nèi)有效成分向提取介質(zhì)的擴(kuò)散,可以提高色素提取效率[25]。徐忠等[26]就利用纖維素酶對(duì)千日紅中的花色苷進(jìn)行了提取,較適宜的提取條件是溫度30 ℃,pH 6.8,酶用量6.0 μg/g,固液比為1∶10 g/mL,提取時(shí)間為60 min ;王萍等[27]比較了纖維素酶及果膠酶對(duì)黑加侖果渣中花色苷的提取效果,結(jié)果表明果膠酶提取黑加侖花色苷的效果好于纖維素酶;趙玉紅等[28]采用酶法對(duì)藍(lán)靛果果渣中的花色苷進(jìn)行了提取,比較了單獨(dú)使用纖維素酶和纖維素酶與果膠酶復(fù)合使用對(duì)提取藍(lán)靛果果渣中花色苷的影響,結(jié)果表明,采用雙酶復(fù)合水解比單獨(dú)使用纖維素酶花色苷提取率提高3.05倍。這些研究均表明,采用酶法比傳統(tǒng)提取方法得到的色素色價(jià)要高,提取效率高,且反應(yīng)溫和[29]。
3.6其他方法隨著分子技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在還可以采用分子蒸餾技術(shù)提取天然色素[29];采用解凍-融解法使植物的細(xì)胞壁破碎后,細(xì)胞內(nèi)的可溶性物質(zhì)就會(huì)溶出,一般選用乙醇作為提取劑,用于梔子花、紅蘭草、楓葉等提取水-醇兼溶的植物色素類比較適用[30-31]。
研究表明,棕色素具有一定的理化活性,如抗氧化性、抑菌性、穩(wěn)定性等性質(zhì)。
4.1抗氧化活性陶婧希等[32]對(duì)從榛子殼中提取的棕色素對(duì)羥基自由基的清除能力及抑菌性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,榛子殼棕色素清除羥基自由基的能力弱于抗壞血酸,但當(dāng)棕色素的濃度達(dá)到1.0 mg/mL時(shí),清除羥基自由基達(dá)到99.23%,說明榛子殼棕色素具一定的抗氧化活性。同時(shí)棕色素對(duì)抗脂質(zhì)體過氧化的能力是同等濃度的抗壞血酸的20%,因此具有抗脂質(zhì)體過氧化的能力。李莉等[33]研究了不同溶液提取的板栗殼棕色素的抗氧化性,總抗氧化能力隨著樣品濃度的增大而增強(qiáng),VC的總抗氧化能力最強(qiáng),醇提板栗殼棕色素,堿提板栗殼棕色素和BHT的總抗氧化能力比較接近;清除DPPH自由基時(shí),VC清除效果最強(qiáng),以后依次是醇提板栗殼棕色素、堿提板栗殼棕色素和BHT,醇提板栗殼棕色素的IC50值約為0.02 mg/mL,堿提板栗殼棕色素的IC50值約為0.09 mg/mL;清除羥基自由基(·OH)時(shí),隨著樣品濃度增大對(duì)·OH的清除作用增強(qiáng),堿提板栗殼棕色素、醇提板栗殼棕色素、BHT和VC的清除效果比較接近;清除超氧陰離子自由基(O2-·)時(shí),堿提板栗殼棕色素的IC50值約為0.71 mg/mL,醇提棕色素的IC50值約為0.83 mg/mL,清除效果弱于VC和BHT。對(duì)2種溶液提取的板栗殼棕色素進(jìn)行了紅外光譜分析,堿提板栗殼棕色素和醇提板栗殼棕色素的紅外光譜圖存在差異。李德海等[34]對(duì)堿提棕色素清除羥基自由基的能力進(jìn)行了研究,結(jié)果表明堿提棕色素清除羥基自由基的能力強(qiáng)于抗壞血酸,從而驗(yàn)證堅(jiān)果果殼中的棕色素具有一定的抗氧化能力。
4.2抑菌活性研究證明,堅(jiān)果果殼中的棕色素具有抑菌性。因此陶婧希等[32]也研究了榛子殼棕色素對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌性,試驗(yàn)證明棕色素濃度為0.1 mg/mL下,對(duì)金黃色葡萄球菌有抑制性,對(duì)大腸桿菌無抑制性。李云雁等[35]對(duì)板栗殼色素進(jìn)行了抑菌性的檢測(cè),利用幾種常見的菌種,如細(xì)菌、霉菌、酵母菌等,證明了色素對(duì)其的抑菌性,并且在熱效應(yīng)下對(duì)抑菌效果無影響。
4.3穩(wěn)定性及染著率余興華等[36]對(duì)板栗殼中棕色素的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,板栗殼中的棕色素與其他天然色素相比有較強(qiáng)的穩(wěn)定性;同時(shí)也對(duì)染著情況進(jìn)行了分析,結(jié)果表明其對(duì)蛋白質(zhì)和淀粉的染著效果優(yōu)于焦糖色素。王超南等[37]利用從板栗殼中采用堿提法提取的板栗殼色素作為試材,并與標(biāo)準(zhǔn)品焦糖色素進(jìn)行對(duì)比,研究其特性。采用分光光度計(jì)測(cè)定不同波長(zhǎng)下的吸光值和分光測(cè)色儀測(cè)定L值和a值的方法,重點(diǎn)研究板栗殼色素對(duì)蛋白質(zhì)和淀粉類食品的染著性和在不同pH下的變化,以及色素色率和紅色指數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,堿提取的板栗殼色素對(duì)淀粉和蛋白質(zhì)有較強(qiáng)染著性,且穩(wěn)定性很好;板栗殼色素色率低于焦糖色素,但是紅色指數(shù)高于焦糖色素;板栗殼色素的色率和紅色指數(shù)均隨pH增加而增加。
通過對(duì)棕色素提取及性質(zhì)的研究,證明了堅(jiān)果果殼中的棕色素具有一定的抗氧化性,抑菌性、水溶性良好等特點(diǎn),可以作為天然的食品添加劑來代替化學(xué)食品添加劑,同時(shí)也可以作為布料的染料,藥品、化妝品的添加劑等。
5.1食品方面目前,由于食品安全問題的不斷出現(xiàn),食品安全越來越受到人們的重視?,F(xiàn)代研究表明,天然色素可以作為人工合成色素的代替品之一,解決人工色素帶來的危害,而且天然色素具有一定的抗氧化性和降解能力,有助于人們的身體健康。陳連文等[10]利用板栗殼中提取的棕色素,模擬試驗(yàn)巧克力牛奶和巧克力蛋糕的制作,通過調(diào)整用量得到理想的口味。謝治芳等[38]利用板栗殼中的棕色素制作了板栗殼汁飲料,采用現(xiàn)代生物技術(shù)解決了板栗在使用過程中產(chǎn)生的廢物,減少了環(huán)境污染,同時(shí)提高了板栗的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,對(duì)板栗的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)具有重要意義。
5.2制藥方面部分研究證明,堅(jiān)果果殼的棕色素中含有黃酮類物質(zhì),而黃酮類物質(zhì)具有抗氧化、抗炎、抗癌、抗動(dòng)脈粥樣硬化、抗過敏、抗突變或抑制血小板凝聚等多種生物學(xué)活性[39]。朱福等[40]研究了天然植物中黃酮類物質(zhì)對(duì)心血管疾病的作用,證明其有良好的心血管綜合保護(hù)效益,無毒副作用,值得臨床進(jìn)一步研究應(yīng)用。同時(shí)研究表明,黃酮類化合物(尤其是具有抗癌活性的甲氧基黃酮)能通過抑制CYP1酶的活性,在抑制致癌物激活過程中發(fā)揮了重要作用[39]。
5.3染料方面在染料當(dāng)中,由于天然色素有著良好的水溶性,且著色能力強(qiáng),因此可以作為布料的染色劑,同時(shí)天然色素?zé)o毒無害,使人們不因有害添加劑而擔(dān)心。浙江理工大學(xué)余志成教授等[41]利用板栗殼中提取的棕色素對(duì)蛋白質(zhì)、纖維素、棉綸纖維、紗線以及織物進(jìn)行染色,有較好的著色效果,并且無過敏、中毒等毒害現(xiàn)象。板栗殼資源豐富,有著良好的應(yīng)用前景。然而有天然色素如棕色素,其在長(zhǎng)期光照條件容易分解,較不穩(wěn)定,因此具有一定的局限性,成為天然色素作為染色劑的一大障礙。
5.4菌培養(yǎng)方面堅(jiān)果果殼除了可以提取棕色素應(yīng)用于食品、藥品、化妝品等當(dāng)中之外,堅(jiān)果果殼成粉后還可以用于食用菌的培養(yǎng)。夏艷云[42]對(duì)板栗殼粉、棉籽殼粉、木屑培養(yǎng)食用菌做了比較,研究表明,板栗殼粉培養(yǎng)食用菌所得產(chǎn)率高于棉籽殼粉和木屑。秦薇薇等[43]以核桃殼粉代替常用木屑、玉米芯來培養(yǎng)食用菌,發(fā)菌速度快,子實(shí)體含氮量高,并且核桃殼的價(jià)格低廉成為了代替木屑、玉米芯的理想材料。
近年來,食用合成色素在食品工業(yè)中超量和違規(guī)使用,給消費(fèi)者身體健康帶來嚴(yán)重傷害,而天然色素具有安全性高、來源豐富和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高等特點(diǎn),某些色素還具有藥理保健功能,因此利用天然資源開發(fā)天然食用色素成為研究學(xué)者的開發(fā)重點(diǎn)。我國(guó)天然食用色素的研究起步較晚,尚處于天然色素與合成色素并存的狀態(tài)。但我國(guó)有豐富的植物資源,開發(fā)和利用植物天然色素,具有廣闊的發(fā)展前景。
堅(jiān)果殼色素原料成本低,對(duì)這類資源的不斷開發(fā)有利于山區(qū)農(nóng)民脫貧致富,能使殼類這一副產(chǎn)品得到合理的利用,實(shí)現(xiàn)資源的合理開發(fā),具有一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。并且有些堅(jiān)果殼色素還具有抗氧化或抑菌的功能,而功能性色素的開發(fā)在當(dāng)代社會(huì)更是存在著很大的市場(chǎng)潛力,可涉及到各個(gè)領(lǐng)域。相信在不久的將來,天然色素在食品、醫(yī)藥等方面的應(yīng)用,必定有著比合成色素更廣闊的前景。
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Extraction Method, Activity and Application of the Brown Pigment of Hardnut Shell
CHEN Yu-xin,WANG Jing,XIA Yi-sen,LIU Liu*et al
(College of Biological Science and Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083)
Nuts with extremely rich nutrients take advantage of people’s health.As a kind of natural pigmen,the brown pigment in the shell of nuts had some properties such as antioxidant,anti-bacteria and anti-aging,and had good development prospect.Therefore,we reviewed the extraction method,antioxidant and antibacterial activity of nut shell brown pigment,and its application prospect and future development,aiming at providing
for the resources utilization of nut shell.
Shell of nuts; Brown pigments; Extraction method; Activity
中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(YX2015-07)。
陳雨鑫(1994- ),女,本科生,從事微生物學(xué)研究。*通訊作者。
2016-06-03
S 664
A
0517-6611(2016)27-0055-04