扁杏仁水解蛋白的噴霧干燥及其抗氧化活性

劉 賀，王 雪，李 君，郭曉飛，朱丹實(shí)，何余堂，錢建華

(1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧省高校食品質(zhì)量安全與功能性食品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121013)

扁杏仁水解蛋白的噴霧干燥及其抗氧化活性

劉 賀1,2，王 雪1，李 君1，郭曉飛1，朱丹實(shí)1,2，何余堂1，錢建華1

(1.渤海大學(xué)化學(xué)化工與食品安全學(xué)院，遼寧 錦州 121013；2.遼寧省高校食品質(zhì)量安全與功能性食品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 錦州 121013)

通過響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法探討減壓濃縮脫水比例、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度等噴霧干燥工藝參數(shù)對(duì)扁杏仁水解蛋白溶液干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影響，獲得表征相關(guān)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)踐過程中可以對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。扁杏仁水解蛋白粉具有一定的抗氧化活性，但受到噴霧干燥工藝參數(shù)的影響，通過SAS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，總體而言，脫水比例在0.5～0.6之間，進(jìn)風(fēng)溫度200℃左右，進(jìn)料速度在270～320mL/h，可以獲得較好的綜合效果。

扁杏仁；水解蛋白；噴霧干燥；抗氧化活性

Abstract ：In this work, the effects of spray drying process parameters such as vacuum dehydration ratio, inlet air temperature and feeding rate on the recovery and antioxidant properties of protein hydrolysate powder were explored by response surface methodology. Mathematical predictive models were established, respectively, describing hdyrolysate recovery and reducing power, hydroxyl free radical scavenging activity and Fe2+chelating activity as a function of these three spray drying process parameters. The prepared powder had certain antioxidant activity, which was dependent on the spray drying process parameters.Process parameters optimization was performed using the SAS software, and the optimized parameters were experimentally validated. In general good results for the spray drying of sweet almond protein hydrolysate could be achieved with a vacuum dehydration ratio of 0.5－0.6, an inlet air temperature of approximately 200 ℃, and a feeding rate of f 270－320 mL/h.

Key words：sweet almond；protein hydrolysate；spray drying；antioxidant activity

大扁杏又稱甜杏(Prunus sibirica var. suavosperma)，屬薔薇科杏屬，是龍王帽、一窩蜂、白玉扁、北山大扁等品種的總稱，是我國特有的經(jīng)濟(jì)樹種[1]。近年來，仁用杏在我國的栽培面積得到迅速擴(kuò)大[2]。扁杏仁中富含高品質(zhì)油脂，油脂中不飽和脂肪酸含量達(dá)到95%以上[3]。近年來，考慮到高溫壓榨提取植物油脂會(huì)破壞蛋白功能特性，而溶劑萃取油脂具有溶劑殘留的潛在風(fēng)險(xiǎn)，不少學(xué)者嘗試采用水酶法進(jìn)行植物油脂的提取，如菜籽油的水酶法提取[4]，大米胚芽油的提取[5]，以及花生油的水酶法提取[6]等。除了油脂以外，扁杏仁所含蛋白質(zhì)比例最高，扁杏仁蛋白氨基酸組成與谷物氨基酸組成形成互補(bǔ)，是一種良好的蛋白質(zhì)營養(yǎng)強(qiáng)化劑，清蛋白和球蛋白是杏仁蛋白的主要蛋白成分，含量分別為45.76%和40.32%，谷蛋白含量較少，幾乎不含醇溶蛋白[7]。杏仁分離蛋白黏度低于大豆分離蛋白，發(fā)泡能力與大豆分離蛋白相當(dāng)，吸油性比大豆蛋白強(qiáng)，乳化能力顯著高于大豆分離蛋白，體外試驗(yàn)表明杏仁分離蛋白容易被胃蛋白酶水解[8]。水酶法在提取油脂的同時(shí)，酶將蛋白水解，水解蛋白具有區(qū)別于原蛋白的功能特性如乳化性、起泡性等物理性質(zhì)，更重要的是水解蛋白有可能具有抗氧化及降血壓等生理活性[9]。張君慧[10]研究了不同水解度大米蛋白酶解物對(duì)抗氧化活性的影響，表明一定水解度的大米蛋白酶解物具有還原能力、清除羥自由基及氧自由基的能力。

本課題組前期科研工作主要圍繞水酶法制備扁杏仁油方面，在酶的種類選擇，酶與底物的比例，提取過程環(huán)境因素對(duì)提取率及產(chǎn)品品質(zhì)的影響等方面均做了一定研究，此部分工作已經(jīng)申請(qǐng)國家發(fā)明專利[3]，在獲得高品質(zhì)扁杏仁油的同時(shí)，產(chǎn)生了大量具有潛在功能活性的水解蛋白液，為了方便貯藏及流通，需要對(duì)水解溶液進(jìn)行干燥，干燥方法很多，其中噴霧干燥是一種較理想的技術(shù)，在水解蛋白的干燥研究方面，Trindade等[11]以大豆分離蛋白及明膠包埋酪蛋白酶解物，通過噴霧干燥工藝制備水解蛋白粉，一方面優(yōu)化了干燥效率，同時(shí)顯著地降低了水解蛋白的苦味。Louise等[12]研究了雞肉水解蛋白的噴霧干燥工藝，探討了工藝參數(shù)對(duì)干燥效果及產(chǎn)品抗氧化性的影響，干燥效果指標(biāo)包括回收率、出口溫度、熱量利用率等，DPPH自由基清除率在38.7%～59.4%之間。目前關(guān)于扁杏水解蛋白方面的研究還少見報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)采用噴霧干燥的方法對(duì)扁杏水解蛋白溶液進(jìn)行脫水處理，同時(shí)探討不同的工藝參數(shù)對(duì)干燥效果和水解蛋白抗氧化活性的影響，為開發(fā)具有抗氧化活性的保健產(chǎn)品提供依據(jù)，為扁杏仁水解蛋白的后續(xù)分級(jí)純化及深入研究其活性機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

扁杏仁水解蛋白溶液(固形物含量5.268%，pH-stat方法測定其水解度為22%) 自制；氯化高鐵(分析純) 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；鐵氰化鉀(分析純) 中國上海試劑一廠；菲咯嗪、2-硫代巴比妥酸、2-脫氧核糖、二硫蘇糖醇 美國Sigma公司。

1.2 儀器與設(shè)備

SP-1500噴霧干燥器 上海順儀實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；E52旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；721分光光度計(jì) 上海欣茂儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 扁杏仁水解蛋白溶液的制備

采用水酶法提取扁杏仁油[3]，將獲得的水解液用0.5mol/L鹽酸調(diào)整pH4.5，然后4000r/min離心10min收集上清液即為水解蛋白液，然后將水解蛋白溶液按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)脫水比例進(jìn)行減壓濃縮(加熱溫度55℃，真空度0.095MPa)。

1.3.2 噴霧干燥工藝流程

將減壓濃縮后的水解蛋白溶液預(yù)熱至50℃，然后通過蠕動(dòng)泵將溶液導(dǎo)入噴霧干燥器，進(jìn)氣壓力0.3MPa，霧化頻率60Hz，撞針間隔時(shí)間設(shè)置5s，采用響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)考察水解蛋白溶液減壓濃縮脫水比例、進(jìn)風(fēng)溫度及進(jìn)料速度對(duì)噴霧干燥效果及水解蛋白粉抗氧化活性的影響，試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 扁杏仁水解蛋白噴霧干燥響應(yīng)面試驗(yàn)因素水平表Table 1 Coded values and corresponding actual values of the optimization parameters used in response surface analysis

1.3.3 產(chǎn)品回收率的計(jì)算

1.3.4 產(chǎn)品指標(biāo)測定

水解蛋白粉還原力測定參考文獻(xiàn)[13]的方法，水解蛋白的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25g/100mL，其他抗氧化活性測定均采用此質(zhì)量分?jǐn)?shù)；水解蛋白粉清除羥自由基能力的測定參考文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行；水解蛋白粉對(duì)Fe2+螯合能力的測定參考文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行。

1.3.5 數(shù)據(jù)分析方法

應(yīng)用軟件SAS 9.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 扁杏仁水解蛋白噴霧干燥工藝響應(yīng)面試驗(yàn)

噴霧干燥影響粉體質(zhì)量的工藝參數(shù)有：料液濃度、進(jìn)料速度、霧化壓力、進(jìn)風(fēng)溫度、出口溫度、進(jìn)風(fēng)量等[16]，這些因素都可能不同程度影響到干燥效果及產(chǎn)品的抗氧化活性，本實(shí)驗(yàn)采用的噴霧干燥機(jī)為試驗(yàn)型，有些參數(shù)不能調(diào)控，因此選取減壓濃縮脫水比例、進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度作為試驗(yàn)因素，由前期預(yù)試驗(yàn)可知，如果水解蛋白溶液不經(jīng)濃縮直接進(jìn)料，或者進(jìn)風(fēng)溫度過低，進(jìn)料速度過快，產(chǎn)品的黏壁現(xiàn)象非常嚴(yán)重，在樣品接收瓶中獲得干燥產(chǎn)品非常少，因此，在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)如表1的因素水平表，采用響應(yīng)面設(shè)計(jì)以優(yōu)化噴霧干燥工藝參數(shù)，用一個(gè)二次多項(xiàng)式來表征參數(shù)與指標(biāo)間的數(shù)學(xué)模型：

式中：Y為測定的響應(yīng)值，b0、bi、bii、bij為回歸模型中的參數(shù)項(xiàng)：Xi、Xj為不同變量的水平、e為試驗(yàn)誤差。

利用SAS 9.2進(jìn)行響應(yīng)面分析，計(jì)算回歸方程中各項(xiàng)系數(shù)，并進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[17]。采用SAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案并獲得相關(guān)結(jié)果見表2。回歸方程的參數(shù)估計(jì)見表3，響應(yīng)面回歸方程及方差分析分別見表4、5。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Experimental design and results for response surface analysis

表5 回歸方程的方差分析Table 5 Variance analyses of different regression equation

表3 回歸方程參數(shù)估計(jì)表Table 3 Estimated parameters of the fitted regression models

表4 響應(yīng)面回歸方程及優(yōu)化結(jié)果Table 4 Fitted regression equations and optimization results

2.2 噴霧干燥工藝對(duì)產(chǎn)品回收率影響

圖1 水解蛋白回收率響應(yīng)面圖Fig.1 Response surface plots for the recovery rate of protein hydrolysate

各噴霧干燥產(chǎn)品的水分含量及成分組成差異并不顯著(數(shù)據(jù)未列出)，因此不討論水分含量及成分組成引起有效抗氧化成分濃度的區(qū)別。噴霧干燥工藝的產(chǎn)品回收率反映了干燥過程中產(chǎn)品的收集效率，從生產(chǎn)成本及經(jīng)濟(jì)效益角度來看，這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。在噴霧干燥過程中，產(chǎn)品損失主要包括兩方面，一是物料黏附在干燥容器及連接管路器壁，二是由于旋風(fēng)分離器的分離效率有限導(dǎo)致部分小尺寸物料顆粒以廢氣的形式排出干燥系統(tǒng)。本研究主要收集接收瓶中產(chǎn)品，盡管可以刮取器壁上黏附的樣品，但由于此部分產(chǎn)品受熱時(shí)間相對(duì)較長，產(chǎn)品品質(zhì)受到影響甚至有少數(shù)黏附產(chǎn)品出現(xiàn)焦糊情況，影響產(chǎn)品品質(zhì)，因此把黏附在器壁上的樣品作為干燥損失計(jì)。從圖1的水解蛋白回收率響應(yīng)曲線來看，脫水比例也即是反映了水解溶液濃縮倍數(shù)這一參數(shù)越高，回收率越大，當(dāng)固定進(jìn)料速度300mL/h，溫度190～200℃時(shí)，脫水比例從0.4增加到0.6，產(chǎn)品的回收率可從50%左右增加至65%左右。因?yàn)闈饪s倍數(shù)越高，水解液水分含量低，蛋白顆粒容易聚集成大的顆粒，表面積增加，顆粒表面光滑，所以傳熱效果較好，黏壁程度較小[11]。進(jìn)風(fēng)溫度及進(jìn)料速度對(duì)回收率的影響呈拋物線型，進(jìn)風(fēng)溫度過低，熱量供給較弱，脫水速率較慢，導(dǎo)致產(chǎn)品在干燥容器內(nèi)部流動(dòng)時(shí)由于顆粒表面水分含量高而黏性大，容易黏壁，隨著溫度升高，此現(xiàn)象減弱，但溫度過高會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品熱熔黏壁[18]。過低的進(jìn)料速度使干燥容器內(nèi)部干燥產(chǎn)品顆粒濃度較低，慣性力不足，導(dǎo)致黏壁或者被排出系統(tǒng)，而進(jìn)料速度過快，導(dǎo)致水分蒸發(fā)不徹底，容易黏壁。由表3可獲得表征回收率數(shù)學(xué)模型的各項(xiàng)系數(shù)，詳見表4，從表5的方差分析可以看出，所得Y1的回歸方程極顯著，說明此回歸模型很理想，用方程Y1擬合三個(gè)因素與回收率之間的關(guān)系是可行的，故可用該回歸模型代替實(shí)驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。同時(shí)，Y1回歸方程中一次項(xiàng)只有脫水比例對(duì)回收率有極顯著的影響，影響程度遠(yuǎn)超過進(jìn)風(fēng)溫度及進(jìn)料速度。通過SAS軟件輔助進(jìn)行嶺嵴分析，得到回收率最大時(shí)的參數(shù)水平，并進(jìn)行了驗(yàn)證，與預(yù)測值差異不顯著，說明采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的噴霧干燥條件參數(shù)準(zhǔn)確可靠，按照建立的模型進(jìn)行預(yù)測回收率在實(shí)踐中是可行的。

2.3 噴霧干燥工藝對(duì)產(chǎn)品還原力影響

圖2 水解蛋白還原力響應(yīng)面圖Fig.2 Response surface plots for the reducing power of protein hydrolysate

由圖2可知，進(jìn)風(fēng)溫度越高，還原力有所增加，原因可能是高溫下水解蛋白氨基與溶液中糖類分子的羰基發(fā)生了有限的美拉德反應(yīng)，從而提高了還原能力[19]，是否有新物質(zhì)生成需要進(jìn)一步的深入探討。而脫水比例和進(jìn)料速度對(duì)還原力的影響則呈拋物線型。從表3～5可知，Y2的回歸方程是顯著的，用方程Y2擬合三個(gè)因素與還原力之間的關(guān)系是可行的，Y2回歸方程中一次項(xiàng)中脫水比例和進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)還原力有顯著的影響，進(jìn)風(fēng)溫度與還原力正相關(guān)，而脫水比例則相反，可能是由于溶液濃度高，活性氨基酸被包裹在分子內(nèi)部的量相對(duì)較多，影響到還原能力。還原力與進(jìn)風(fēng)溫度的二次項(xiàng)正相關(guān)，與脫水比例與進(jìn)料速度的交互作用負(fù)相關(guān)。通過SAS軟件進(jìn)行嶺嵴分析，優(yōu)化還原力指標(biāo)，并進(jìn)行了驗(yàn)證，如表4所示，還原力的最優(yōu)值A(chǔ)700為0.387，與預(yù)測值差異不顯著，但此值比9號(hào)試驗(yàn)所得水解蛋白產(chǎn)品還原力要低，可能是檢測誤差所致，總體而言按照建立的模型進(jìn)行還原力的預(yù)測在實(shí)踐中是可行的。

2.4 噴霧干燥工藝對(duì)產(chǎn)品羥自由基清除率影響

圖3 水解蛋白羥自由基清除率響應(yīng)面圖Fig.3 Response surface plots for hydroxyl radical scavenging activity of protein hydrolysate

由圖3可知，當(dāng)固定進(jìn)料速度300mL/h時(shí)，脫水比例越高，羥自由基清除率越高，進(jìn)風(fēng)溫度越高羥自由基清除率越高，與進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)還原力的影響規(guī)律是類似的。當(dāng)固定進(jìn)風(fēng)溫度200℃時(shí)，脫水比例越高，羥自由基清除率越高，而進(jìn)料速度對(duì)其的影響則呈拋物線型。當(dāng)固定脫水比例0.5時(shí)，進(jìn)料速度及進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)羥自由基清除率的影響呈拋物線型。從表3和表5可知，Y3的回歸方程是顯著的，Y3回歸方程中一次項(xiàng)全部對(duì)羥自由基清除率有顯著的影響。進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度的二次項(xiàng)以及進(jìn)風(fēng)溫度與脫水比例和進(jìn)風(fēng)溫度與進(jìn)料速度的交互作用也對(duì)羥自由基清除率有顯著的影響，這表明響應(yīng)值的變化相當(dāng)復(fù)雜，各個(gè)具體的試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響不是簡單的線性關(guān)系，而是呈二次關(guān)系，且三因素之間有相互影響。通過SAS軟件進(jìn)行嶺嵴分析，優(yōu)化羥自由基清除率指標(biāo)，并進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值差異不顯著，說明按照建立的模型進(jìn)行羥自由基清除率的預(yù)測在實(shí)踐中同樣是可行的。

2.5 噴霧干燥工藝對(duì)產(chǎn)品Fe2+螯合能力影響

圖4 水解蛋白Fe2+螯合能力響應(yīng)面圖Fig.4 Response surface plots for Fe2+-chelating activity of protein hydrolysate

過渡金屬鐵、銅是許多自由基產(chǎn)生過程的催化劑，可介導(dǎo)脂質(zhì)過氧化，F(xiàn)e2+還是羥自由基等自由基產(chǎn)生的媒介物，螯合金屬離子是重要的抗氧化活性之一。從圖4的Fe2+螯合能力響應(yīng)曲線來看，脫水比例、進(jìn)料速度及進(jìn)風(fēng)溫度對(duì)Fe2+螯合率的影響均呈拋物線型。經(jīng)酶解后，因?yàn)樗獾鞍字斜┞冻鰜淼陌被崮芘c鐵離子等形成配位鍵而具有螯合金屬離子的能力，干燥參數(shù)的改變可能影響了氨基酸的暴露程度從而造成其螯合金屬能力的不同。從表3和表5可知，Y4的回歸方程是顯著的，回歸方程中一次項(xiàng)除了進(jìn)料速度以外均對(duì)Fe2+螯合率有顯著的影響。進(jìn)風(fēng)溫度與脫水比例的二次項(xiàng)對(duì)羥自由基清除率有顯著的影響。通過SAS軟件進(jìn)行嶺嵴分析，優(yōu)化羥自由基清除率指標(biāo)，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表4。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測值差異不顯著。

評(píng)價(jià)天然抗氧化劑體外抗氧化能力的方法很多，本實(shí)驗(yàn)采用還原能力、羥自由基清除能力和金屬離子螯合能力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。扁杏仁水解蛋白粉具有較好的還原能力，明顯的自由基清除效果，在水酶法提取油脂的過程中，蛋白酶將扁杏蛋白水解成肽段，將原先包埋于蛋白質(zhì)分子高級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的具有抗氧化活性的小分子肽和游離氨基酸暴露出來[10]，顯示出抗氧化功能。

由表4可知，就回收率而言，脫水比例在0.6左右，進(jìn)風(fēng)溫度198℃，進(jìn)料速度276.5mL/h，回收率最高可超過66%，抗氧化活性中的Fe2+螯合率的最佳工藝參數(shù)與其類似，而還原力和羥自由基清除率方面，脫水比例要適當(dāng)降低，溫度同樣在200℃左右較合適，且改善還原力需要較高的進(jìn)風(fēng)溫度和進(jìn)料速度。因此采用哪一種優(yōu)化過的工藝參數(shù)，取決于對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)的要求，但總體而言，脫水比例在0.5～0.6之間，進(jìn)風(fēng)溫度200℃左右，進(jìn)料速度在270～320mL/h，可以獲得較好的綜合效果。

3 結(jié)論與展望

3.1 扁杏水解蛋白粉具有一定的抗氧化活性，且噴霧干燥工藝參數(shù)對(duì)其抗氧化活性具有較大影響。

3.2 分別獲得了噴霧干燥過程中表征產(chǎn)品回收率和還原力、羥基自由基清除率及金屬離子鰲合能力等抗氧化指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，但各指標(biāo)最優(yōu)條件下的工藝參數(shù)并不一致，可能各指標(biāo)間相互制約，有待于進(jìn)一步研究。

3.3 產(chǎn)品回收率在最優(yōu)條件下也僅達(dá)到66%左右，損失過多，如果單純從優(yōu)化產(chǎn)品本身得率而言，可以考慮加入少量糊精或其他助干劑。

3.4 在后續(xù)研究中，對(duì)于扁杏水解蛋白組成及其他功能特性將更進(jìn)一步分析和探討。

3.5 作為水酶法制備扁杏仁油的另一種主要產(chǎn)物，扁杏蛋白水解物作為天然抗氧化劑的開發(fā)資源，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Spray Drying and Antioxidant Activity of Sweet Almond Protein Hydrolysate

LIU He1,2，WANG Xue1，LI Jun1，GUO Xiao-fei1，ZHU Dan-shi1,2，HE Yu-tang1，QIAN Jian-hua1
(1. College of Chemistry, Chemical Engineering and Food Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China；2. Liaoning Province Key Laboratory of Functional Food, Food Quality and Safety, Bohai University, Jinzhou 121013, China)

TS255.1

A

1002-6630(2012)16-0018-06

2011-06-27

科技部科技人員服務(wù)企業(yè)項(xiàng)目(2009GJB00034)；遼寧省教育廳高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2009S001)；

遼寧省教育廳高校一般項(xiàng)目(L2010008)

劉賀(1979—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)槭称反蠓肿拥慕Y(jié)構(gòu)與功能及其修飾。E-mail：cranelau2049@yahoo.com.cn