談俊曉,趙永強,李來好,楊賢慶,吳燕燕,魏 涯,岑劍偉
(1. 中國水產科學研究院南海水產研究所/農業(yè)部水產品加工重點實驗室/國家水產品加工技術研發(fā)中心,廣東 廣州 510300;2. 上海海洋大學食品學院,上海 201306)
南極磷蝦綜合利用研究進展
談俊曉1,2,趙永強1,李來好1,楊賢慶1,吳燕燕1,魏 涯1,岑劍偉1
(1. 中國水產科學研究院南海水產研究所/農業(yè)部水產品加工重點實驗室/國家水產品加工技術研發(fā)中心,廣東 廣州 510300;2. 上海海洋大學食品學院,上海 201306)
我國南極磷蝦產業(yè)在近年得到不斷發(fā)展,但由于捕撈、加工技術不成熟等問題,我國南極磷蝦資源利用率還比較低,因此,分析南極磷蝦綜合利用研究進展對我國發(fā)展南極磷蝦產業(yè)具有重要指導意義。在介紹國內外南極磷蝦資源與開發(fā)利用現狀的基礎上,分別從蛋白質、脂質、礦物質元素含量3個方面綜述了南極磷蝦的營養(yǎng)成分;從酶類、甲殼素、蝦青素含量3方面介紹了南極磷蝦的活性成分,并列舉了南極磷蝦加工產品的主要形式;分析了南極磷蝦資源開發(fā)過程中存在的問題,并提出建議與對策,為進一步提高南極磷蝦資源的綜合利用提供參考。
南極磷蝦;資源開發(fā);產品形式;研究進展
南極磷蝦通常是指南極大磷蝦(Euphausia superba Dana),它隸屬于節(jié)肢動物門(Arthropoda)甲殼綱(Crustacea)磷蝦目(Euphausiacea)磷蝦科(Euphausiidae)磷蝦屬(Euphausia),形體較小,體長一般在4~6 cm,生物儲藏量巨大[1]。南極磷蝦本身還蘊含著豐富的蛋白質、礦質元素及多種不飽和脂肪酸如EPA、DHA等,對人體有良好的醫(yī)療及保健功能。此外,南極磷蝦還含有多種活性成分,如酶類、甲殼素和蝦青素等,這些物質有利于南極磷蝦高附加值產品的開發(fā),極大地提高了對南極磷蝦資源的綜合利用率。目前,南極磷蝦的主要產品形式有南極磷蝦粉和南極磷蝦油,此外還有蝦干、蝦醬和罐頭等初級產品,而具有高附加值的成熟產品較少,可見加快對南極磷蝦成熟產品的開發(fā)對南極磷蝦產業(yè)發(fā)展具有重要意義。近年來有學者對南極磷蝦復合纖維、南極磷蝦凝膠制品、南極磷蝦活性多肽等產品進行研究[2-4],以期開發(fā)出更多高值產品。南極磷蝦在開發(fā)過程中會遇到去殼困難、氟含量高及新鮮度下降快等問題,因此對快速有效的去殼技術、脫氟技術及保鮮與加工新技術的開發(fā)也十分重要。本文介紹了國內外南極磷蝦資源與開發(fā)利用現狀、南極磷蝦的營養(yǎng)與活性成分及其主要產品形式,并分析了在其開發(fā)與利用過程中遇到的問題和對策,旨在為我國進一步提高南極磷蝦資源的綜合利用提供參考。
盡管各國對南極磷蝦資源進行了許多研究,但對它們的總生物量和繁殖生產量的估計仍然是不確定的。南極磷蝦資源量巨大,但在南極各區(qū)的分布密度卻極度不同,這主要是因為南極磷蝦的生長繁殖易受南極水域環(huán)境的影響。Atkinson等[5]結合南極磷蝦生長模型和聲學方法,對南極磷蝦的最新生物儲藏量估計在3.79×108t左右。國際上對南極磷蝦進行商業(yè)化試捕始于前蘇聯,其后日本、韓國、挪威等國家也開始了對南極磷蝦資源的研究與開發(fā),我國臺灣省于1977年開始試捕南極磷蝦[6],但我國正式進入南極磷蝦漁業(yè)始于2009年末。趙憲勇等[7]對國際南極磷蝦捕撈產量的變動情況進行了說明,并將近幾十年的南極磷蝦捕撈產量變動情況分為發(fā)展期、滯長期和回升期3個階段。出現滯長期的主要原因是蘇聯解體后俄羅斯停止了對南極磷蝦的大規(guī)模捕撈活動,日本是此階段南極磷蝦漁業(yè)產量最大的國家。由于南極中的企鵝、海豹等動物多以南極磷蝦為食,南極磷蝦被視為南極圈食物網中不可缺少的一員,因此南極海洋生物資源保護委員會對南極磷蝦捕撈作業(yè)區(qū)進行了限額規(guī)定,目前各漁業(yè)分區(qū)的聯合捕撈觸發(fā)限額為6.2×105t,2015年南極磷蝦國際漁業(yè)捕撈總量為2.26×105t[8],與2014年相比略有下降。隨著國際對南極資源開發(fā)的重視,也有學者根據全球氣候變化軌跡和南極磷蝦生長模式進行了模擬研究,并表明若氣候持續(xù)變暖而導致海冰融化,到本世紀末期南極磷蝦棲息地可能會大幅度減少[9],這可能會對南極商業(yè)發(fā)展帶來嚴重挑戰(zhàn)。
早期南極磷蝦作業(yè)區(qū)多集中在印度洋海域,隨著漁業(yè)發(fā)展及對南極磷蝦資源調查顯示,南極磷蝦主要分布于南大西洋海域,其中南奧克尼群島和南設得蘭群島水域是目前南極磷蝦的主要漁業(yè)區(qū)[8]。Fielding等[10]對南喬治亞島西北地區(qū)水域的南極磷蝦密度的年際變化和體長進行了調查,結果表明南極磷蝦密度每4~5年會有一個波動。根據南極磷蝦棲息水層及游泳行為,中層拖網捕撈方式是目前國際上對南極磷蝦進行捕撈的主要方式。相比于其他網具,南極磷蝦中層拖網網具的網囊及囊頭部分網衣網目尺寸更小,可以防止磷蝦從網目中逃逸。而我國目前對南極磷蝦的捕撈仍以傳統(tǒng)作業(yè)方式為主,或依靠國外引進的南極磷蝦捕撈加工船,缺乏自主研發(fā)的專業(yè)化捕撈船隊。
2.1 營養(yǎng)成分
2.1.1 蛋白質 南極磷蝦的生長容易受時間和地域的影響,不同季節(jié)南極磷蝦體內脂肪和蛋白含量往往不同,且兩者呈顯著負相關關系[11]。孫雷等[12]對南極磷蝦的營養(yǎng)成分和品質進行分析表明,與中國明對蝦相比,南極磷蝦肌肉鮮樣中粗蛋白含量略低,但必需氨基酸含量高,占氨基酸總量的45%左右,符合FAO/ WHO/UNU聯合專家委員會的推薦氨基酸攝入量,與Chen等[13]的研究結果一致。Kim等[14]對3~8月份期間捕撈的南極磷蝦的營養(yǎng)成分進行了分析,表明南極磷蝦體內總氨基酸在3月份含量最高、6月份含量最低,其中牛磺酸和甘氨酸在8月份含量最高,而精氨酸、鳥氨酸和賴氨酸則在3月份最高,這為科學安排南極磷蝦的捕撈季節(jié)提供了依據。
2.1.2 脂類 南極磷蝦體內總不飽和脂肪酸占脂類總量的34%左右,且多為多不飽和脂肪酸,其中EPA和DHA含量分別為19%和10%,高于一般魚蝦類[15]。EPA和DHA作為人體不能合成的必需不飽和脂肪酸,在預防心血管疾病上具有一定作用,南極磷蝦豐富的理想脂肪酸特征和顯著水平的EPA和DHA說明其可作為高營養(yǎng)價值的脂質,用于補充人類飲食中的必需脂肪酸。Maki等[16]對肥胖人群的研究表明,富含多種不飽和脂肪酸的南極磷蝦油能增加肥胖人群血液中EPA和DHA的濃度,且耐受性良好,沒有顯示對安全參數的不利影響。
2.1.3 礦質元素 南極磷蝦肌肉中含有豐富的礦質元素,特別是Se、P、Mg、Zn等,每100 g磷蝦肌肉干樣中Se含量可達340 μg,遠高于中國明對蝦和刀額新對蝦[12],而Se在預防與氧化應激和炎癥相關的慢性疾病中具有一定功效,因此南極磷蝦可作為Se的良好食物來源。
2.2 活性成分
2.2.1 酶類 南極磷蝦體內具有高效的酶系統(tǒng),目前已發(fā)現的蛋白酶有8種,包括3種絲氨酸類胰蛋白酶、1種絲氨酸類胰凝乳蛋白酶、2種羧肽酶A和2種羧肽酶B[17]。Turkiewicz等[18-19]、Cie?liński等[20]還發(fā)現南極磷蝦體內含有糖酶,如葡聚糖水解酶、木聚糖酶和酯酶等。研究表明,利用南極磷蝦酶制劑可以清除壞死組織和加速傷口愈合等,且其效果也高于木瓜蛋白酶、纖溶素/核酸酶等其他常用的生物制品[21]。
2.2.2 甲殼素 甲殼素具有多種醫(yī)藥功能,如強化免疫功能、抑制癌細胞、降低膽固醇、降血壓及降血糖等。南極磷蝦殼中含有大量的甲殼素,且由于其個體小、蝦殼薄,殼體內的甲殼素易獲得。陳雪嬌等[22]以H2O2為脫色劑,對南極磷蝦的甲殼素進行脫色工藝研究,并獲得了高白度甲殼素,提高了南極磷蝦的商業(yè)開發(fā)價值。2.2.3 蝦青素 蝦青素是一種類胡蘿卜素,具有超強的抗氧化活性,其自由基清除能力是維生素E的近百倍、β-胡蘿卜素和玉米黃質等其他類胡蘿卜素的10倍以上[23-24]。此外,蝦青素還具有抗癌、增強免疫、促進生長繁殖等作用以及顯著的著色能力,在食品、醫(yī)藥、化妝品和飼料等行業(yè)具有重要作用。
南極磷蝦作為蝦青素的一種重要的天然來源,含有游離與酯化兩種類型的蝦青素。研究表明,蝦青素在光照、高溫、高濃度酸堿條件下極不穩(wěn)定,Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Zn2+和Al3+對蝦青素基本沒有影響,而Cu2+、Fe2+和Fe3+有明顯的破壞作用,其中Fe3+對蝦青素的影響最大[25]。用南極磷蝦提取蝦青素的常見方法是有機溶劑提取法,有研究發(fā)現使用酶解法也能得到較高的提取率[26]。超臨界萃取技術作為一種高新技術也被逐漸用于活性成分的提取中,目前多采用超臨界流體萃取與有機溶劑提取相結合的方式提取蝦殼中的總類胡蘿卜素[27-28]。
在南極磷蝦資源開發(fā)的不同階段,其產品形式也不相同。在南極磷蝦漁業(yè)發(fā)展初期,南極磷蝦產品主要為凍蝦,用于飼料及肥料;隨后其產品主要為用于養(yǎng)殖的蝦干以及可食用的蝦仁、蝦糕和蝦醬等;隨著生產加工技術的發(fā)展,在保留前期產品形式的基礎上,又相繼開發(fā)了南極磷蝦粉和具有高附加值的南極磷蝦油等產品。
3.1 南極磷蝦粉
捕撈上來的南極磷蝦由于自溶酶作用等原因會很快導致其品質下降,因此需要快速進行初級加工處理。南極磷蝦粉一般是在船上直接經過蒸煮、壓榨、烘干處理后得到的產品,也是目前南極磷蝦船載加工主要的產品之一[29],它具有營養(yǎng)價值高、氨基酸平衡性好等優(yōu)點,做飼料可以促進水產動物的生長,Suontama等[30]研究發(fā)現用南極磷蝦粉部分代替魚粉可增加大西洋鮭魚和大西洋比目魚的生長率,并表明在促進生長方面沒有對健康不利的影響,甚至可改善魚肌肉中的脂肪酸組成。
不同加工方法會對磷蝦粉的營養(yǎng)產生一定影響,黃艷青等[31]通過營養(yǎng)品質分析對3種不同加工方式的南極磷蝦粉進行了評價,并表明南極磷蝦在捕撈后及時進行加工處理并添加抗氧化劑,能較好保證磷蝦粉的營養(yǎng)價值。劉志東等[29]通過探討擠壓加工對南極磷蝦粉營養(yǎng)組分的影響發(fā)現,相對于傳統(tǒng)船載加工南極磷蝦粉的方法,雙螺桿擠壓技術能避免由于原料的過度加熱而引起功能性物質的損失,為南極磷蝦粉加工技術的改進和市場價值的提升探索了新的路徑。
3.2 南極磷蝦油
南極磷蝦油中含有磷脂、ω-3脂肪酸、蝦青素等多種活性成分,具有改善大腦健康、提高免疫、抗腫瘤等許多醫(yī)療保健功能。Stine等[32]通過臨床實驗表明,南極磷蝦油受試者血液中EPA和DHA含量比魚油高,且磷蝦油具有安全與耐受性良好的優(yōu)點。Zhou等[33]對長期攝取南極磷蝦油對自發(fā)性高血壓大鼠和健康SD大鼠動脈血壓的影響進行了研究,經過5周喂養(yǎng)后,相比于大豆油組,服用磷蝦油組的自發(fā)性高血壓大鼠的動脈血壓明顯降低,而健康SD大鼠的動脈血壓無明顯變化,說明磷蝦油在降低血壓方面具有一定治療效果。Wibrand等[34]通過厭惡光刺激回避試驗和強迫游泳試驗評價了磷蝦油對大鼠認知和抑郁的影響,并使用丙咪嗪(IMIP)作為抗抑郁藥作為參考,在為期7周的實驗中,明顯觀察到磷蝦油在改善大鼠認知和抗抑郁方面具有良好效果,并表明在抗抑郁調節(jié)上,丙咪嗪和磷蝦油的作用機制可能不同。
南極磷蝦油的提取原料為冷凍南極磷蝦與南極磷蝦干粉,目前南極磷蝦油的常用的提取方法包括有機溶劑法、酶解法等。徐曉斌等[35]以冷凍南極磷蝦為原料,不需將原料進行干燥,應用復合蛋白酶酶解法,得到了磷脂含量為28.7%的南極磷蝦油,且含有豐富的EPA和DHA,與曹文靜等[36]用混合溶劑法獲得的南極磷蝦油的磷脂含量(29.1%)相當。王玥瑋等[37]將凍干南極磷蝦制成蝦粉后,以無水乙醇為提取液,結合超聲波提取技術得到磷蝦油粗品得率為16.3%,但未對蝦油中的脂肪酸組成和含量進行進一步的測定,表明該方法提取出的磷蝦油為粗蝦油,因此對其精致方法還需進行進一步深入研究。
3.3 其他產品
南極磷蝦復合纖維產品的研究主要始于近幾年,通常是將南極磷蝦蛋白與海藻進行復配,這種復合纖維具有綠色可降解的特點,因而具有廣闊的市場發(fā)展空間。但相對于海藻纖維,這種復合纖維的熱穩(wěn)定性稍低,而阻燃性和耐霉變性較好[38]。針對在后期染色過程中存在的溶脹問題,楊利軍等[2]采用濕法紡絲技術制備出海藻/磷蝦蛋白復合纖維后,將復合阻溶脹劑與染色工藝相結合,改善了在染色時的過度溶脹現象,為復合纖維的開發(fā)提供了新的思路。
目前有關于南極磷蝦凝膠制品的研究中,主要是以磷蝦為輔料,研究其添加對魚糜凝膠制品揮發(fā)性風味成分的影響。許剛等[3]以南極磷蝦為主料,經研究發(fā)現適當添加畜禽肉和魚肉能不同程度提高南極磷蝦凝膠制品揮發(fā)性風味品質,為南極磷蝦凝膠制品的加工提供了風味學依據。該項研究是以冷凍南極磷蝦仁為原料,而南極磷蝦由于蝦殼較軟等特點使其脫殼得肉率較低,因此對快速有效的脫殼技術的研發(fā)將十分重要。
利用海洋生物制備活性多肽也是目前研究的熱點,有研究表明蝦肉及蝦加工廢棄物可作為天然抗氧化劑的潛在來源[39-40]。王繼宏[4]對南極磷蝦抗氧化活性肽的制備和分離純化進行研究,并以體外模擬實驗對其抗氧化活性進行考察,結果表明分子量在5~10 ku的活性多肽有較強的自由基清除能力,但在制備活性多肽的過程可能會存在有機溶劑殘留的問題,還需要對分離效率高、無毒副作用的溶劑系統(tǒng)進行探討。此外,以海洋生物為原料制得的產品會帶有一定的苦味和腥味,因此有效脫苦去腥方法的研究也是十分必要的。
除了上述相關產品的研究外,南極磷蝦海鮮醬油、南極磷蝦類奶酪食品的研究也有報道[41-42]。從這些研究中可以看出,針對南極磷蝦高氟的特點,在開發(fā)新型南極磷蝦類食品時安全有效的脫氟技術是關鍵。這些新型南極磷蝦產品的研究為磷蝦資源的應用開辟了新的方向,并為南極磷蝦新產品形式的開發(fā)提供了依據。
4.1 捕撈方面
南極磷蝦漁業(yè)區(qū)距離我國較遠,產品需要長距離運輸與保藏,并且南極氣候寒冷,對各種設備性能的要求較高,這些都增加了我國開發(fā)南極磷蝦產業(yè)的成本。相對于挪威等國家,我國缺少自主研發(fā)設計的專業(yè)化南極磷蝦捕撈船。目前我國對南極磷蝦捕撈的作業(yè)方式仍以傳統(tǒng)的拖網捕撈為主,相對于專業(yè)化的南極磷蝦連續(xù)捕撈技術,這種作業(yè)方式涉及環(huán)節(jié)較多、捕撈效率低、生產過程復雜,在一定程度上限制了我國對南極磷蝦資源的開發(fā)利用。
為解決這一問題,我國應加快推進南極磷蝦捕撈加工專業(yè)船的設計與建造,借鑒國外連續(xù)捕撈技術。劉健等[43]從作業(yè)船型、連續(xù)捕撈裝備和作業(yè)過程等方面對南極磷蝦捕撈技術進行了探討,認為南極磷蝦泵吸技術在其漁業(yè)捕撈生產中應用前景較好,為我國南極磷蝦漁業(yè)引入連續(xù)捕撈裝備技術提供了參考。徐鵬翔等[44]采用田內準則對中國南極磷蝦捕撈船隊引進的日韓小網目南極磷蝦拖網網具性能進行了對比分析,表明日式拖網在快速性方面略遜于韓式拖網,但從其經濟性和水動力性能方面考慮,日式南極磷蝦拖網的綜合性能更優(yōu),這些研究為合理調配作業(yè)參數、提高作業(yè)性能、增加捕撈效率提供了技術支撐。
4.2 加工方面
南極磷蝦殼對氟具有較強的富集能力,磷蝦死后,蝦殼中的氟會很快滲透到蝦肉中,從而使蝦肉因含氟量過高而失去食用價值。有研究發(fā)現,用磷蝦粉做魚飼料,以普通商品飼料作對照,飼養(yǎng)3個月后,經測試魚骨骼中氟含量與飼養(yǎng)時間呈線性相關,而肌肉中氟含量無明顯差異;而以冷凍干燥處理的磷蝦肉喂養(yǎng)正在生長的老鼠,用魚粉和蝦粉作對照時發(fā)現,盡管幾種飼料的生長效應相同,但用磷蝦肉飼喂的老鼠的器官重量和原生質酶都發(fā)生異常變化,牙齒、大骨骼都觀察到典型的氟反應[45]。這表明磷蝦可以作為水產飼料,但作為人類食品時,應當注意高氟問題。
柳先娜[46]以生物法和化學法對南極磷蝦中氟的脫除方法進行對比研究表明,果皮吸附法對南極磷蝦的營養(yǎng)損害較小,但是脫氟率較低,而化學脫氟法雖然脫氟率很高,但對南極磷蝦的營養(yǎng)損害較大,因此后續(xù)研究可考慮將兩者結合的方法進行脫氟。郭帆等[47]以活性氧化鋁吸附脫氟法和鈣離子沉淀脫氟法相結合的方法對南極磷蝦酶解液進行脫氟研究,在最佳條件下脫氟率可達到94%左右。目前認為最有效的處理方式是捕獲南極磷蝦后立即進行殼肉分離,從而避免甲殼中的氟向蝦肉中遷移,因此需要研究出快速有效的剝殼技術。鄭曉偉等[48]對南極磷蝦擠壓剝殼工藝進行了研究,試驗設備得肉率在30%左右,為南極磷蝦剝殼裝備的研制以及南極磷蝦脫殼技術的應用和產業(yè)化提供了參考。
此外,由于內源酶作用,捕撈后的南極磷蝦會因自溶而導致新鮮度下降,這就需要將內源酶從磷蝦中提取分離出來,或利用內源酶作用使南極磷蝦自溶后對自溶液進行深加工以獲得高值化的產品。于海寧等[49]利用木瓜蛋白酶結合自溶酶體系共同作用得到了EPA和DHA質量分數之和在76%左右的南極磷蝦油。
針對以上問題,除了需要對南極磷蝦脫殼技術的研發(fā)和加工方法的完善,還應注意產品市場分析,將南極磷蝦產業(yè)和國內外消費市場實際相結合,形成立體化的技術研發(fā)結構,在不同層次形成關鍵技術,從而提高對南極磷蝦資源的有效利用。
南極磷蝦資源儲量巨大、營養(yǎng)豐富,其體內的多種活性成分可以開發(fā)成磷蝦油、蝦青素等高附加值產品,因此可以在養(yǎng)殖、食品、醫(yī)藥等多個領域得到廣泛應用。目前,我國的南極磷蝦產品仍以蝦干、蝦粉等用于飼料的初級產品為主,對高附加值產品的開發(fā)雖有研究,但未形成產業(yè)化,國內外市場還未打開。這是由于相對于日本、韓國、挪威等國家,我國對南極磷蝦資源的開發(fā)利用起步較晚,因此各項技術相對不夠完善,但同時我們也可以借鑒國外南極磷蝦產業(yè)發(fā)展的技術和成功經驗,積極開發(fā)和引進新的加工技術和設備,同時注重南極磷蝦加工副產物的利用,從而實現我國南極磷蝦產業(yè)的快速增長。隨著各國對南極磷蝦相關研究的不斷深入,對南極磷蝦的研究已從低、中端技術水平逐漸過渡到對高附加值產品開發(fā)等高新技術水平,因此對南極磷蝦資源的綜合利用也將會逐漸優(yōu)化起來,使其具有更大的經濟效益與發(fā)展空間,從而使南極磷蝦產業(yè)不斷壯大。
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(責任編輯 鄒移光)
Research progress on comprehensive utilization of Antarctic krill
TAN Jun-xiao1,2,ZHAO Yong-qiang1,LI Lai-hao1,YANG Xian-qing1,WU Yan-yan1,WEI Ya1,CEN Jian-wei1
(1. South China Sea Fisheries Research Institute,Chinese Academy of Fishery Science /Key Laboratory of Aquatic Product Processing,Ministry of Agriculture /National R&D Center for Aquatic Product Processing,Guangzhou 510300,China;2. College of Food Science and Technology,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China )
China’s Antarctic krill industry has been developed continuously in recent years,due to the problems of immature fishing and processing technology,the utilization rate of Antarctic krill in China is relatively low. Therefore,analyzing research progress on comprehensive utilization of Antarctic krill has important meaning to guide the development of China's Antarctic krill industry. On the basis of introduction of domestic and foreign resources of Antarctic krill and its current situation of exploitation and utilization,the nutritional components of Antarctic krill were reviewed respectively from proteins,lipids and mineral elements;and the active ingredients of Antarctic krill from enzymes,chitin and astaxanthin were introduced,then the primary forms of Antarctic krill processing products were listed. Finally,some problems encountered in the process of exploitation and utilization were analyzed,and suggestions and countermeasures were put forward,to offer beneficial reference for further improving of comprehensive utilization of Antarctic krill resources.
Antarctic krill;resource development;product forms;research progress
TS254.4
A
1004-874X(2017)03-0143-08
2017-01-15
中國水產科學研究院基本科研業(yè)務費專項(2016HY-ZD0904)
談俊曉(1992-),女,在讀碩士生, E-mail:tanjunxiao2014@163.com
李來好(1963-),男,博士,研究員, E-mail:laihaoli@163.com
談俊曉,趙永強,李來好,等.南極磷蝦綜合利用研究進展[J].廣東農業(yè)科學,2017,44(3):143-150.