摘 要：膳食纤维（diet fibre ，DF）被称为“第七大营养素”，具有调节肠道、促进维生素和矿物质的吸收等作用。亚麻籽作为一种特色油料作物，主要应用于亚麻籽油的加工，榨油的副产物亚麻籽饼则主要用于饲料生产，饼的利用价值较低。然而亚麻籽饼中总膳食纤维含量高达45.4%（干重）左右，其中水溶性膳食纤维（soluble dietary fiber ，SDF）占比1/3，且相较于其他原料来源的SDF，亚麻籽SDF具有低黏度特异性优势，在现代食品工业中应用潜力巨大。因此，探究亚麻籽饼中膳食纤维的赋存形态、建立高效的膳食纤维提取方法、并明确其结构特征和功能特性，对丰富市场化膳食纤维资源、提高亚麻籽饼利用率、实现其高值化应用具有重要意义。基于此，该文简述了膳食纤维的特性、提取方法及其在食品研究中的的应用，为膳食纤维的开发和利用提供理论支持和思路借鉴。
关键词：亚麻籽；亚麻籽饼；膳食纤维；提取方法；应用
膳食纤维（diet fibre ，DF）即不能被人体吸收或不能被人体胃肠道酶消化的非淀粉多糖[1]。这些多糖包括纤维素、非纤维素多糖(如半纤维素)、果胶物质、树胶、粘液和一种非碳水化合物成分，以及木质素[2]。膳食纤维按溶解性分为可溶性膳食纤维（Soluble dietary fiber ，SDF）和不溶性膳食纤维（insoluble dietary fiber ，IDF）。IDF是不溶于水的那部分，IDF是细胞壁的一部分，包括纤维素、半纤维素、木质素和壳聚糖[3]。SDF主要是植物细胞壁的储存物质和分泌物，包括果胶、菊粉、低聚果糖、β-葡聚糖以及其他类似化合物，SDF能够在水中溶解，并且可以被78%的乙醇沉淀。美国相关专家认为，DF的摄入量为20~30g/d。中国营养学会推荐健康成人每日摄入DF为30g/d，当前我国人均摄入膳食纤维只有10.8g/d，远达不到标准。
目前，市场上有多种DF的商业化产品，其中包括大豆类产品、麦麸类产品以及海洋产品等。这些产品均致力于提供人体所需的DF，以促进健康和营养的摄入。亚麻籽饼DF与其他油料中DF相比的一个特别之处在于，亚麻籽饼中的SDF具有独特的低黏度，这使其成为一种有价值的成分，对食品的流变特性没有太大影响[4]。由于亚麻籽蛋白没有致敏特性[5]，所以可用作植物性稳定剂应用于食品加工中，且不存在过敏原问题。
据联合国粮食及农业组织2022年整理的年鉴中提供的数据，全球2021年亚麻籽产量为333.9万t。根据国家粮油信息中心预计，2022年，我国亚麻籽产量达到27.3万t。但目前，亚麻籽在中国的使用仍处于粗放阶段，即主要用于榨油。榨油剩下的亚麻籽饼只能一定量地添加到反刍动物的饲料中，造成饼资源的极大浪费[4]。亚麻籽饼是亚麻籽榨油后的副产品，亚麻籽饼中含有40%~45%左右的DF，其中30%为SDF，亚麻籽饼是富含DF的天然制备原料。其中，纤维素、半纤维素、果胶及木质素、抗性淀粉等构成了DF的主要构成。亚麻籽中SDF与IDF的比例在20:80~40:60变化[5]。随着人们对DF营养价值的深入认识和对特色油料副产物的精深加工程度与综合利用效率低、高值化产品开发不足的问题，国内外已经广泛开展对亚麻籽DF的提取及其在食品中的应用。本文针对亚麻籽饼DF的提取方法和其在食品中的应用展开综述，目的在为之后DF的提取方法的改进及其在食品中的应用提供一定的参考。
1 DF的结构特性
1.1 DF的结构特性
DF主要由纤维素、半纤维素和木质素在微观结构上相互交联和缠绕而形成。植物细胞壁的主要结构材料是纤维素和半纤维素，它们具有特殊生理功能，木质素是细胞壁的一种次要成分，其主要作用是填充，一般情况下没有生理活性。DF的组成成分中，纤维素占据了重要的地位，纤维素是一种线性聚合物结构，通过β-1，4糖苷键连接的β-吡喃葡萄糖分子的线性聚合物链组成，根据植物来源的不同，聚合程度也不同，一般在7000~15000之间[6]。纤维素中最短的重复单位为纤维二糖，它是由两个葡萄糖单位收缩而成，在它的结构中，含有6个羟基，它可以与大分子本身，还有其他纤维素大分子或极性分子形成分子内和分子间的氢键，所以它还具有一定的亲水性[7]。在纤维素大分子中，主要有两种结构，一种是细长的杆状晶体结构，这就是微纤维。而剩余部分为纤维素，其堆积密度较低且无定形。微纤维是以纤维素链为主的聚合体，有结晶区和无结晶区，它在水中是不溶解的，紧密的晶体结构使其具有更高的抗拉强度[8]。
图1DF的结构模型[9]
半纤维素与纤维素、木质素等组分在细胞壁中以共价或非共价的方式结合，这些组分的交互作用使纤维胞壁的刚性和柔韧性更好。与纤维素相比，半纤维素具有更复杂的结构。其特征是单糖成分更加丰富，且出现了侧链结构，它的主链是D-木糖、D-甘露糖和D-半乳糖，而在它的支链上则是L-阿拉伯糖、D-葡萄糖醛酸和D-半乳糖[10]。一般情况下，随着支链的增加，半纤维素的溶解程度也会增加，它随着环境pH值的变化而变化，它部分溶于水，几乎完全溶于碱，在弱酸中，易水解为己糖和戊糖，所以，在SDF的提取过程中，总有一部分的半纤维素会被萃取物从溶液中分离出来[11]。
木质素是一种芳香族聚合物，广泛分布于植物中，分子结构中有氧代苯丙醇，它是由松伯醇、芥子醇和对羟基肉桂醇3种单体组成。在细胞壁中，木质素附着在纤维素微纤维的表面，并形成一种刚性的、相互连接的网络结构[12]。半纤维素与纤维素、木质素等组分在细胞壁中以共价或非共价的方式结合，这些组分的交互作用使纤维胞壁的刚性和柔韧性更好。
a-纤维素；b-半纤维素；c-木质素
图2DF主要成分的结构式[13]
1.2亚麻籽DF的结构特性
亚麻籽中SDF约占总DF含量的20%~40%，IDF主要成分是纤维素和木质素，SDF主要存在于粘液表皮中，主要成分是中性阿拉伯木聚糖和酸性鼠李糖等。根据MURALIKRISHNA等[14]的研究，亚麻籽中性部分含有L-阿拉伯糖、D-木糖和D-半乳糖(3.5:6.2:1)，酸性部分含有L-鼠李糖、L-焦糖、L-半乳糖和D-半乳糖醛酸(2.6:1:1.4:1.7)。中性部分是阿拉伯木聚糖，具有(1/4)-b-d-木聚糖骨架，阿拉伯糖和半乳糖侧链在2位和3位连接。
亚麻籽中的SDF也被称作亚麻籽胶，亚麻籽胶（flaxseedgum，FG）是从亚麻籽及其壳中提取的天然水胶体。它具有优异的持水能力、流变性能、胶凝性和乳化性。FG是一种由木糖、阿拉伯糖、葡萄糖、半乳糖、半乳糖醛酸、鼠李糖和焦糖组成的多相多糖。木糖与鼠李糖的比例反映了中性多糖与酸性多糖的比例，影响着FG的流变性能和胶凝性[15]。从单糖组成的角度来看[16]，FG由3个主要的多糖组分组成:低分子质量的富鼠李糖半乳糖寡聚糖、高分子质量的富阿拉伯木聚糖和中等分子质量的复合杂聚物组分[17]。
2亚麻籽饼DF的提取
亚麻籽饼中含有37%左右的蛋白质、45%左右的DF、7%左右的淀粉等。按照去除蛋白质和淀粉的程度不同，DF的提取率也会受到影响，目前对DF提取方法的研究主要是物理、化学、生物和组合法。
2.1物理法
物理法是一种独特的预处理方式，它仅仅依赖于机械加工的手段，包括粉碎、超声、过滤等多种方式，以此来处理亚麻籽以提取亚麻籽中的DF。物理法有液体悬浮法、气流分级法、膜分离法、超声波法以及微波法，物理方法通常被用作辅助手段来提取DF。
通过运用液体悬浮法和气流分级法这两种方法，原料中的各类非纤维性物质（如蛋白质、脂肪、淀粉和植酸等）的浓度降低了，进而达成了对DF的有效提取。然而，采用这两种技术获得的产品纯净度相对较低，所以利用此法对亚麻籽饼DF的提取鲜有报道。
膜分离技术在SDF的提纯及浓缩中占据着关键位置，其原理是利用膜分离技术分离和提取不同分子质量的DF[18]。通过改变膜的分子剪切强度来提取不同分子质量的DF，可以有效地解决化学分离过程中存在的有机残留物问题[19]。王世清等[20]的研究表明，此法显著降低了蛋白质含量，大幅度提升了SDF的得率。
超声波处理技术是在某一特定空间形成的一种机械振荡，其频率范围相对较高。在密闭的空间内，借助超声波对物质进行处理，可形成强烈的振动效果，引发多种媒介的热能和机械能生成。此外，超声波处理也可引发规模较大的冲击波，原料的内部组织会受到冲击，从而使大分子的化学键断裂，引起一系列氧化还原反应。冯爱娟等[21]采用超声波辅助法对FG进行提取，确定了料液比1:30(g/mL)，提取温度90℃、pH值7.0，提取功率240W，时间40min为最优提取工艺条件，得到亚麻籽壳中亚麻籽SDF得率为19.8%。张琳璐[22]研究表明，超声时间50min，料水比1:175，超声功率250W为FG最佳提取工艺，得率可达23.81%。AKHTAR等[23]利用超声波辅助对FG进行提取，通过改变不同的提取变量，得率范围为（8.05±0.32）%~（12.23±0.45）%。SAFDAR等[24]研究了超声波辅助提取，发现亚麻籽SDF的得率随着时间的增加（10~30min）从5.41%提高至7.84%，且随着提取时间的增加，导致更高的得率但更低的FG纯度。任雪娇[25]研究表明超声时间32min、超声功率245W、超声温度62℃，在此条件下FG的得率能够达到9.18%。田志文[26]在超声辅助热水浸提工艺优化试验中，料液比、超声功率和超声时间对SDF得率影响显著，最佳提取工艺为料液比1:50、超声功率248.66W、超声时间41.24min、pH6.06，在此条件下亚麻籽饼SDF得率为27.12%。由此可见，超声波辅助提取对于亚麻籽饼DF得率方面影响显著。
微波提取的基本原理是将微束透过萃取介质，直接照射到细胞内，热作用使抽提物的驱动力加速，加速溶剂分子的蒸发，细胞中压强的增加，胞壁延伸，压强超过了细胞壁所能承受的最大压强，细胞壁及细胞膜上的微小孔出现，促进细胞液流出，提高得率，且在此基础上，进一步提高了目标产物的选择性，提高了产品的稳定性。梁霞等[27]采用微波辅助用15倍水在温度80℃条件下提取40min，喷雾干燥得到FG，FG的得率为25.7g/100g，1g/100g胶液的黏度可达3000MPa·s。李小凤等[28]通过研究微波辅助提取对FG得率的影响，得出在80℃，600W的微波辅助条件下，FG得率为6.46%。微波提取到的FG的黏度较好，对产品稳定性来说有一定优势，但设备成本较高且得率不稳定。
2.2化学法
化学法是提取DF最常见且常用的方法。化学法，其主旨在于先对DF的原料进行初步的清洗操作，继而利用化学试剂对原料进行分离、萃取，以实现DF的提取。其具体方法包括直接水提法、酸处理法以及碱处理法。
2.2.1直接水提法
DF的提取方法是以直接水提法为例，首先将原料在水中浸泡并进行蒸煮，这样能够有效地去除溶解在水中的大分子物质，剩下的就是DF的主要成分。使用直接水提法，工艺过程简便、成本可控，然而，获取SDF的效率存在一定的局限[29]。胡鑫尧[30]申请了专利“一种从亚麻籽中湿法高效提取FG”，专利内容为用水来提取亚麻籽壳中的FG，提取过程中加入助浸剂或糖酶辅助提取，过滤后再浸，离心，对滤液进行醇沉，对沉淀物进行减压蒸馏，最后经红外线干燥后得到亚麻籽SDF，此方法提取率最高可达96%。
2.2.2酸处理法
在常温条件下，原料中的一些IDF通过化学键结合在一起，具有结构稳定性。然而，在适当温度的酸性条件下，物质之间会发生不同程度的酸化反应，进一步水解化学键。同时，分子的聚合度也会逐渐降低[31]。
2.2.3碱处理法
在对原料进行处理的环节中，添加适量的碱性物质，实际上就是采用了与酸处理类似的方法，以实现对DF的高效提取。杨雪艳等[32]通过单因素和正交试验，确定了最佳工艺条件为以乙醇为溶剂，料液比为1:20，碱量0.07mol，提取温度50℃，提取2h，浸提2次，酸沉pH4.4，提取到亚麻籽SDF为9.67%。MOCZKOWSKA等[33]提取FG的方法是用酸碱处理原料，然后离心过滤，最后用酒精沉淀后，进行冷冻干燥处理。
化学法由于其成本低廉且操作简便，因此受到了广泛的关注。然而，它在提取DF的过程中，颜色会变暗，化学残留会对气味和口感产生负面影响。此外，酸或碱处理后的反复冲洗会降低DF的持水性和溶胀性[34]。化学法处理产生的废水会对环境造成潜在威胁，并增加废水处理的成本。
2.3生物法
生物法旨在通过微生物或特定的生物酶对原料中的淀粉和蛋白质进行水解，来进一步分解DF当中的不溶性成分，将其转变成水溶性的DF，以实现对DF的有效提取，生物法主要包括发酵法和酶法。
发酵法是利用微生物发酵过程中产生的各种酶来减少原料中蛋白质、脂肪、淀粉和其他杂质，提高DF产品的纯度。李可[29]利用乳酸菌和毛霉来对亚麻籽中的DF进行提取，得到乳酸菌接种量6.2%、发酵时间25h、发酵温度37℃，此条件下亚麻籽总DF提取率为65.24%。当毛霉接种量为13.1%、发酵时间124h、发酵温度28℃，经此条件下亚麻籽总DF提取率为62.89%。然而发酵法存在一定缺陷，微生物的繁衍和代谢需要一定的时间，微生物发酵的生产周期相比其他方法来说更加耗时。
酶法是使用各种酶，包括脂肪酶、蛋白酶、淀粉酶，从原料中去除油脂、蛋白质、淀粉和还原糖等，来提取DF的方法。纤维素酶在对纤维素的降解过程中发挥着重要作用，产出含有较低聚合度和分子质量的多糖，同时提升了SDF的得率[35]。徐江波[36]研究了用酶法脱去FG，确定最佳工艺为：最佳酶制剂为果胶酶、温度55℃、时间4h、pH3.5、加酶量100U/g、料液比1:6，在这些条件下，亚麻籽脱胶量最高为9.53g。酶法提取条件温和、节能、易于使用，并能获得高纯度的DF。GB5009.88—2014中DF提取方法是酶法，国标中将干燥样品经α-淀粉酶、蛋白酶和葡萄糖苷酶酶解消化，去除蛋白质和淀粉，用乙醇沉淀过滤，残渣物用乙醇和丙酮洗涤、干燥、称量，即得总DF。国标法测定的过程较为繁琐。
2.4组合法
组合法是指两种或两种以上的方法一起使用或交替使用来提取DF。常见的组合法是物理法与物理法的并用以及物理法与生物法的串联。
通过物理法与物理法相结合，可以实现原料中大分子转化为小分子，从而大大提高可溶性组分的含量。ULLAH等[37]的研究中，研究了热处理对湿磨过程中大豆渣DF物理和化学性质的影响。从结果可以看出，热处理被证实能显著提升湿磨中粗粉的粉碎率。在120℃的温度下，粉碎效率最高，粒径最小，在颜色、形态、水化、稳定性和黏度等方面都有较好的表现。对物理法与物理法相结合的另一种提取方法展开深入研究，孙姣等[38]的研究中，利用微波-超声辅助处理，在提取温度85℃，浸提时间65min，醇沉干燥后得到FG，得率为5.14％。对提取的FG的结构和功能特性进行了深入研究和分析。相较于简单的微波处理方式，SDF的结构在联合法处理下，更显出疏松和复杂的特质，结晶度、热稳定性和分子质量更高，单糖组成也更加多样化。
物理法与生物法相结合通常是物理法与酶处理相结合。例如，姚玥[39]研究了超声辅助酶法提取亚麻籽SDF，最佳工艺条件为：果胶酶添加量1.25%，提取温度40℃，提取时间20min，料液比1:30（g/mL）和提取功率400W，最终得率为33.41%，且处理后提取的DF具有更高的水溶性、WHC、OHC、SC、乳化活性、乳液稳定性和泡沫稳定性。田等[26]将亚麻籽饼经超声和碱性蛋白酶处理后，得到FG的抗氧化能力、乳化性和起泡性都比使用单一方法效果好，且在此条件下FG得率为27.12%。
不同提取方法得到的DF组成也不同，如QIAN等[40]研究表明，用蛋白酶完全去除FG(11.8%)和FG(8.1%)中的蛋白质后，表面活性和乳化稳定性降低，表明蛋白质组分对它们的乳化有重要贡献。在稀溶液和半稀溶液中，中性和酸性多糖在分子质量分布和链刚度上的差异显著影响了它们的分子质量和链柔韧性，进而影响着特性黏度。此外，亚麻籽多糖，通常被称为树胶，因为它已被证明含有很少的L-半乳糖，也因此FG具有良好的持水性。FG的水结合能力和流变性能与瓜尔胶相似[41]。
表1不同提取方法的优缺点
3亚麻籽SDF的功能特性
亚麻籽SDF又称“亚麻籽胶”。亚麻籽胶主要存在于亚麻籽壳的最外层，约占种子干重的8%，具有良好的水溶性，在种子浸水后容易释放[42]。亚麻籽胶具有优异的持水能力和溶胀性，是一种具有良好持水性的水胶体。此外，亚麻籽胶还具有良好的流变性能和弱凝胶性。在功能上，亚麻籽胶比其他普通胶更接近阿拉伯胶[43]。除了亚麻籽的表型和基因型特征外，萃取温度、pH值、离子强度、料水比、辅助物理处理(如超声或微波)以及胶的干燥、混合、均质或挤压过程中施加的剪切力等都影响着亚麻籽胶的功能特性（如增稠性、胶凝性、稳定性）[44]。由于亚麻籽胶表现出“弱凝胶”的特性，因此可用于替代大多数非凝胶用于食品和非食品中[45]。亚麻籽胶还可以稳定水包油乳液，此外，亚麻籽胶还具有功能性食品的潜在效用，可用于降低糖尿病和心脏病的相关风险[46]。
4亚麻籽DF在食品中的应用
DF不仅是人体所需的第七大营养素，其SDF亦具有优异的功能特性，如溶解性、持水/持油能力、流变性、胶凝性和界面特性等，可被用作食品稳定剂、增稠剂、胶凝剂、包封剂等，在食品工业中应用潜力巨大。值得注意的是，亚麻籽SDF具有独特的低黏度特性，因此可在不影响质构的前提下，适量添加于食品体系，这对于高品质食品的开发极具意义。科学家们正在积极寻求优化食品的营养成分，亚麻籽DF在改善口感、提高营养性、改善加工特性和满足特殊人群食品需求方面均有相关应用。
4.1在乳制品中的应用
酸奶是新鲜牛奶经细菌发酵后的有益食品，在口感更好、营养价值更高的酸奶物理属性中，乳清分离程度和感知黏度是决定酸奶品质和整体感官的关键因素[47]。近期，一项研究揭示合理引入DF能够有效地提升酸奶的营养价值[48]。此外，酸奶中DF的添加量亦会影响酸奶的质地、稠度、流变性以及消费者的可接受程度[49]，如SIVA等[50]将亚麻籽DF应用于制备水果酸奶，并对其感官、理化和脂肪酸谱进行分析，感官评定结果表明添加1%亚麻籽DF的果酸乳生产出的果型酸奶口感更好。
亚麻籽DF也被广泛应用于其他类型的乳制品中，如?OPUSIEWICZ等[51]将FG添加到酸性乳饮料中，结果表明加入FG后，菌群的活性得到了明显改善，酸乳清的黏性也有所改善，达到了可以被消费者接受的程度，且该产品的理化指标均符合标准，抗氧化性增强，游离氨基酸含量也较高。MIRONOVA等[52]研究了亚麻籽DF在软奶酪中的用途，确定了亚麻籽浓缩奶酪的最佳配方，开发了亚麻籽软奶酪技术。
4.2在肉制品中的应用
肉类是人体饮食中的中心元素，是人体摄入蛋白质的重要来源，食用高品质的肉类产品对于打造健康的饮食结构至关重要。
在肉制品中，添加纤维逐渐成为常规操作[53]。向肉制品中加入DF不仅可以提升肉类的品质，减少蒸煮损失，亦可改进其加工特性，提升产品产量，延长货架期，提高消费者的可接受程度[54]。陈海华[55]研究发现，将FG添加到肉类产品中，可改善肉类蛋白质、肌原纤维蛋白及盐溶蛋白的热稳定性及凝胶结构。潘男等[56]在煎牛肉饼中添加FG，提高了牛肉饼的品质，但如果添加太多的亚麻籽胶，则会导致面饼的硬度增大，从而影响产品的感官质量。刘雯燕[57]将FG加入到肉糜制品中，发现不仅可以改善肉类制品的保水性、保油性和食用品质，且可以满足消费者对绿色食物的需求。
香肠作为一种典型的肉食产品，其脂肪含量不宜过高。DF已被用作脂肪替代品被添加到香肠中。如扶庆权等[58]在西式香肠中添加适量亚麻籽SDF替代部分鸡皮成分，结果表明添加亚麻籽SDF的低脂香肠的蒸煮损耗显著降低，持水性明显提高，肠的组织质地及整体接受度有显著提高。付丽等[59]在研究FG对成型火腿品质的影响时发现，当FG的添加量为0.60%时，火腿的保水性、内聚性、胶着性、蒸煮损失率和质构等表现更优异。
4.3在面制品中的应用
目前，含有丰富DF的面粉产品已被广泛采用，如制作面条。ZARZYCKI等[60]通过对富含亚麻籽饼粉的面条进行化学分析，发现在不影响面条质量的前提下，其营养品质明显提升。CAMILA等[61]利用脱脂亚麻籽粉和大米粉加工无麸质宽面条，可满足患有乳糜泻病人对面制品的需求。ZHU等[62]用亚麻籽粉来配制新鲜的亚洲咸面，结果表明加入亚麻籽粉可提高咸面的体外抗氧化活性，并减少煮熟后面条的血糖指数。
5结语
随着大家对健康平衡膳食的重视程度日益提高，当前对DF的关注度也在提升。亚麻籽SDF具有优异的功能性，如何从亚麻籽饼中高效提取SDF值得我们去深入研究。
除了高含量的膳食纤维，亚麻籽饼中还含有30%多的蛋白质和约10%的淀粉，借鉴大豆、麦麸等原料中膳食纤维的提取方法可知，一般可通过酸水解或加入淀粉酶的方法水解淀粉，通过碱水解、酸处理+加热、加入蛋白酶的方法水解或沉淀蛋白质，去除淀粉和蛋白质后加入一定比例乙醇将SDF沉淀出来。在上述过程中，有4点疑问尚待明晰，一是淀粉水解后生成物是什么？水解物是否属于SDF？这对于SDF的组成和得率有何影响？二是水解或酸处理+加热法沉淀蛋白均会破坏蛋白质的完整性和功能性，这造成了蛋白质资源的浪费，是否可在获取SDF的同时保护亚麻籽饼蛋白质的完整性和功能性？相关提取技术尚待研发；三是淀粉和蛋白去除的先后顺序是否影响亚麻籽饼SDF的得率？为何影响？四是沉淀SDF用的乙醇溶液浓度各不相同，对于亚麻籽SDF的提取来说，是否要研发乙醇分级沉淀技术？此外，我们注意到在关于膳食纤维提取的文献报道中，用于评价膳食纤维提取效率的指标，如得率、提取率等存在使用混乱的现象，因此在相关研究中应予以重视，规范表达，以便于平行比对和参考。
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文章摘自：白小涵,夏义苗,陈复生等.亚麻籽饼膳食纤维的提取及其在食品中的应用[J/OL].食品与发酵工业,1-10[2024-03-10].https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.038036.
