楊文晶,許泰百,馮敘橋,*,程 丞,呂佳煜,侯 宇
(1.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州121013;2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110866)
果蔬加工副產(chǎn)物的利用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)研究進(jìn)展
楊文晶1,許泰百1,馮敘橋1,*,程丞2,呂佳煜1,侯宇1
(1.渤海大學(xué)食品科學(xué)研究院,遼寧省食品安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧錦州121013;2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品學(xué)院,遼寧沈陽(yáng)110866)
我國(guó)果蔬加工業(yè)發(fā)展迅速,果蔬加工副產(chǎn)物也隨之增多,由此而引發(fā)的廢棄物污染越來(lái)越嚴(yán)重。同時(shí),果蔬加工副產(chǎn)物含有的多種有效成分,沒(méi)有加以利用而造成的資源損失也不可忽視。本文闡述了果蔬加工副產(chǎn)物的利用現(xiàn)狀,分析了果蔬加工副產(chǎn)物的發(fā)展趨勢(shì),并就果蔬加工副產(chǎn)物的綜合利用提出建議。
果蔬加工,副產(chǎn)物,營(yíng)養(yǎng)成分,資源利用
果蔬加工副產(chǎn)物是指在果蔬加工過(guò)程中產(chǎn)生的如果皮、果核、果渣、種子、葉、莖、花、根、等副產(chǎn)物[1-2]。近年來(lái)我國(guó)果蔬生產(chǎn)和加工業(yè)發(fā)展迅速,是農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒記錄[3],2013年全國(guó)蔬菜種植面積為2020萬(wàn)公頃,同比增長(zhǎng)1.1%;產(chǎn)量達(dá)到7.06億噸,同比增長(zhǎng)1.2%;2013年全國(guó)果園面積為1280萬(wàn)公頃,同比增長(zhǎng)4.1%,產(chǎn)量為1.50億噸,同比增長(zhǎng)3.7%。果蔬加工中會(huì)產(chǎn)生很多副產(chǎn)物,果蔬產(chǎn)量的龐大也就決定了加工副產(chǎn)物的增多。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)每年果蔬加工產(chǎn)生的廢棄物高達(dá)1億噸[4],并且持續(xù)增多,絕大部分沒(méi)有得到資源化利用而直接丟棄或者填埋,對(duì)人們的生活環(huán)境造成污染的同時(shí)也造成了資源的浪費(fèi)[5]。
果蔬加工副產(chǎn)物的利用率不高是全球問(wèn)題,在歐洲,每年的果蔬加工副產(chǎn)物多達(dá)幾百萬(wàn)噸,主要通過(guò)填埋來(lái)處理,廢棄物中有價(jià)值的成分未得到充分利用[6]。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),印度是世界第二大水果生產(chǎn)國(guó),水果加工過(guò)程中產(chǎn)生大量的皮、籽、渣等廢棄物,因?yàn)闆](méi)有合適的技術(shù)和方法去處理,所以這些可利用資源沒(méi)有得到有效利用。目前印度正在積極研究如何利用這些廢渣中的生物活性成分,并應(yīng)用于食品、化妝品、醫(yī)藥等行業(yè)[7]。由此可見(jiàn),加強(qiáng)果蔬加工副產(chǎn)物的綜合利用成為果蔬加工業(yè)面對(duì)的重大問(wèn)題。本文闡述了果蔬加工副產(chǎn)物的利用現(xiàn)狀,并分析了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),以期為果蔬加工副產(chǎn)物的綜合利用提供參考。
果蔬加工副產(chǎn)物的主要成分有糖分、纖維素、半纖維素及礦質(zhì)元素(表1)。劉松毅等[8]對(duì)北京市某農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的垃圾做了調(diào)研,其中大部分為果蔬垃圾,通常占垃圾總量的90%以上,其pH較低(4.46),含水量高(81.71%),還含有各種營(yíng)養(yǎng)元素,因此容易腐敗變質(zhì)。就蔬菜渣來(lái)說(shuō),大多數(shù)屬于高纖維、低蛋白、高含水量物質(zhì),如果處理不當(dāng),造成堆積,在高溫雨季極易發(fā)生腐爛變質(zhì),傳播疾病[9]。在有害微生物的作用下,能產(chǎn)生大量的熱量和NH3、H2S、CO2、CH4、C2H4及其他CH化合物[10],對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。
表1 果蔬加工副產(chǎn)物中的可利用成分[8,11]Table 1 Available components of by-product of fruit and vegetable processing[8,11]
我國(guó)每年果蔬廢棄物產(chǎn)量可達(dá)果蔬總產(chǎn)量的25%~30%,約有1億多噸的水果和蔬菜廢棄物被丟棄[4,12]。如木瓜的加工過(guò)程約造成木瓜總重50%的廢棄物[13],每年蘋(píng)果深加工產(chǎn)生的蘋(píng)果渣有幾百萬(wàn)噸[11]。果蔬加工廢棄物中含有一定量的可利用成分(表2),如能合理加以利用,不僅能創(chuàng)造一定的價(jià)值,還能在一定程度上解決因處理不當(dāng)而造成的環(huán)境污染問(wèn)題。
我國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó),水果產(chǎn)量連年增加,其加工副產(chǎn)物也越來(lái)越多,而果皮在整個(gè)水果中占較大比重[19],是水果加工業(yè)副產(chǎn)物中的主要部分。以我國(guó)四大水果蘋(píng)果、香蕉、梨、柑橘為例,果皮占有率分別為10%~15%、35%~41%、11%~16%、16%~23%[20]。水果果皮中的可利用成分比較多,菠蘿皮中的水分、總糖等成分比例與果肉相差無(wú)幾,粗蛋白和灰分的含量還高于果肉,分別是果肉的250%和300%;菠蘿皮中還含有大量纖維素且還是良好的碳源,可以為微生物發(fā)酵所利用[13]。另外,香蕉皮中的營(yíng)養(yǎng)成分也很豐富,香蕉果肉與香蕉皮中的含水量都很高(73.1%,90.8%),另外還含有蛋白質(zhì)、纖維素、總糖、脂肪等營(yíng)養(yǎng)成分(圖1)。香蕉皮中脂肪(0.76%)和粗纖維(3.38%)含量均高于果肉中的含量(分別為0.5%和0.9%),蛋白質(zhì)含量約為0.74%[20]。Gonzalez-Montelongo等[21]研究發(fā)現(xiàn)香蕉皮中含有多巴胺和左旋多巴,兒茶酚胺等大量的抗氧化活性成分,使其成為一種開(kāi)發(fā)保健品的潛在可利用原料。
柑橘在加工生產(chǎn)橘子汁時(shí),約產(chǎn)生40%~50%的皮渣[22],而柑橘皮中含有豐富的維生素C、胡蘿卜素、蛋白質(zhì)、糖類(lèi)和多種微量元素,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高[23-24]。梨皮中含有多酚,黃酮類(lèi)化合物[25],在生產(chǎn)糖水梨罐頭時(shí),去除的梨皮占水果的17%~20%[26];西瓜皮中含有豐富的維生素C、黃酮類(lèi)活性物質(zhì)[27],西瓜在鮮食后,占西瓜總重約1/3的瓜皮被丟棄[28]。由此可見(jiàn),大量果皮被浪費(fèi),勢(shì)必造成可利用物質(zhì)的損失和環(huán)境污染,現(xiàn)階段水果果皮的回收再利用情況實(shí)際上沒(méi)有怎樣進(jìn)行,絕大部分果皮被丟棄,僅食品加工廠(chǎng)對(duì)果皮有一定的利用,主要加工成果皮醬及蜜餞等[23]。
圖1 香蕉/香蕉皮主要營(yíng)養(yǎng)成分含量[20]Fig.1 The main nutrients of banana pulp and peel[20]
表2 幾種果蔬殘?jiān)目衫贸煞諸able 2 Useful components of several kinds of fruit and vegetable scraps
目前,果蔬加工副產(chǎn)物主要作為動(dòng)物飼料或者被填埋,深加工很少[29]。如前所述,果蔬加工副產(chǎn)物富含有機(jī)物,含有抗氧化物質(zhì)、果膠、膳食纖維、天然色素等功能性成分。因此,果蔬加工副產(chǎn)物的綜合利用,無(wú)論從資源合理利用、活躍經(jīng)濟(jì),還是從環(huán)境保護(hù)、低碳生活的角度來(lái)說(shuō),都是非常必要的。目前,果蔬加工副產(chǎn)物綜合利用的途徑主要包括提取果膠、制造膳食纖維、提取色素和抗氧化物質(zhì)等幾個(gè)方面。
2.1提取果膠
果膠是一種雜多糖,主要從陸生植物的細(xì)胞壁中獲得,是一種非常重要的食物原材料和藥物成分[30]。果膠具有降血脂、降膽固醇、抗輻射、吸附重金屬離子、潤(rùn)腸通便和抗癌等作用[31],廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、化工、紡織等行業(yè)[32]。果膠也是一種高附加值的功能性食品成分,作為膠凝劑和穩(wěn)定劑已在果醬、果凍中廣泛應(yīng)用[33]。果膠的提取一般有酸提法、醇沉法、鹽析法、微波輔助提取及超聲波輔助提取等方法,在果蔬廢棄物中提取對(duì)象主要是蘋(píng)果渣或柑橘皮[34-35],因?yàn)檫@兩種副產(chǎn)物在果蔬加工業(yè)中產(chǎn)生多而且集中。長(zhǎng)期以來(lái),果膠生產(chǎn)技術(shù)主要由國(guó)外公司所壟斷,而國(guó)內(nèi)對(duì)果膠的研究開(kāi)發(fā)起步較晚,工業(yè)化生產(chǎn)水平相對(duì)較低,主要體現(xiàn)在所提果膠品質(zhì)較低、色澤凝膠強(qiáng)度較差、提取技術(shù)不成熟,相對(duì)低端的工藝生產(chǎn)技術(shù)導(dǎo)致果膠生產(chǎn)規(guī)模較小、產(chǎn)量低且成本較高。目前,國(guó)內(nèi)仍普遍采用傳統(tǒng)酸法提取果膠[36],從柑橘皮中提取果膠時(shí)采用此方法會(huì)導(dǎo)致部分可溶性果膠水解且提取率低(2.8%)[37]。孫悅等[38]采用超聲波輔助提取法,在pH1.5、提取溫度70℃、提取時(shí)間45min、固液比20∶1的條件下提取柑橘皮中的果膠,得率高達(dá)20.8%。白麗娟等[39]采用醇沉法對(duì)蘋(píng)果渣中的果膠進(jìn)行提取,提取果膠的得率較高,工藝條件為酸提液pH1.5,料液比1∶14,酸提時(shí)間1.5h,重復(fù)三次,果膠的平均提取率為7.85%,且所得果膠純度高、質(zhì)量?jī)?yōu)。李朋亮等[40]采用酸提鹽析法對(duì)蘋(píng)果渣中的果膠進(jìn)行了提取,在溫度85℃、pH1.5、提取時(shí)間2.0h、料液比為1∶14(v/v)的條件下,研究了飽和Al2(SO4)3溶液的加入量對(duì)果膠提取率的影響,在添加量為果膠液的3%(v/v)時(shí),提取率可達(dá)到17%,為工業(yè)化生產(chǎn)果膠提供了參考。上述研究為更加高效利用皮渣,減少浪費(fèi),保護(hù)環(huán)境,進(jìn)一步提高果蔬加工副產(chǎn)物的附加值,提供了技術(shù)上的支持。
2.2制造膳食纖維
在果蔬加工過(guò)程中約有1/3的原材料被剔除[41],果蔬是人們飲食中膳食纖維的主要來(lái)源,在其廢棄物中膳食纖維含量也較豐富[42]。如甘薯廢渣中含有20%~30%的膳食纖維[43],是制造膳食纖維產(chǎn)品的良好原料來(lái)源。美國(guó)谷物學(xué)家定義的膳食纖維是由可食性植物的一部分或類(lèi)似的碳水化合物組成,能抗人體小腸消化吸收,同時(shí)對(duì)人體有有益的生理效應(yīng),如降血糖、降低人體膽固醇以及潤(rùn)腸通便等,此外還可預(yù)防心臟病和癌癥等[44-45]。膳食纖維具有較好的保健性能,適合做食品添加劑、保健品或者輔助藥品。目前,通過(guò)膳食纖維減肥越來(lái)越受到人們的重視,開(kāi)發(fā)新型功能性減肥產(chǎn)品是一個(gè)好的發(fā)展方向,果蔬廢棄物中含有的果膠、膳食纖維都是制造減肥產(chǎn)品潛在的資源。
提取膳食纖維主要有酶法、發(fā)酵法、熱水提取法、化學(xué)提取法等方法。鄔建國(guó)等[43]以甘薯渣為原料,采用藥用真菌液態(tài)發(fā)酵,對(duì)甘薯渣制取膳食纖維的工藝進(jìn)行了研究,在搖床水平,采用甘薯渣9%,麩皮0.8%的培養(yǎng)基發(fā)酵4d后發(fā)酵液中的膳食纖維含量可達(dá)到29.63g/L,膳食纖維產(chǎn)量得到較大提高。張晶等[46]利用磷酸鹽緩沖液從香蕉皮中提取可溶性膳食纖維,在溫度95℃,濃度0.09mol/L,pH6.8,提取時(shí)間80min的條件下,可溶性膳食纖維的提取率為5.03%。廢渣的利用不僅在很大程度上緩解了果蔬殘?jiān)斐傻奈廴締?wèn)題,還能擴(kuò)展廢棄物產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的領(lǐng)域,同時(shí)產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。目前,國(guó)內(nèi)外提取膳食纖維方法以化學(xué)法為主,雖然成本低,但對(duì)膳食纖維產(chǎn)品的理化性質(zhì)和生理功能有一定影響[47]。積極探索采用較為溫和的工藝方法和高新技術(shù)提取分離膳食纖維,以進(jìn)一步提高膳食纖維的品質(zhì),是將來(lái)膳食纖維提取分離與利用研究中值得重視的一個(gè)方面。
2.3提取色素
植物中的色素均為天然色素,大多為花青素類(lèi)、黃酮類(lèi)、類(lèi)胡蘿卜類(lèi)化合物,對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害,具有一定的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和生物活性。從果蔬加工副產(chǎn)物中提取這些色素可作為良好的保健品材料和調(diào)味品,在食品工業(yè)中主要用作著色劑,并被大多數(shù)人所接受。
提取色素的方法很多,主要有超聲波輔助提取、微波萃取、有機(jī)溶劑法、膜分離法等。傳統(tǒng)的溶劑萃取法具有耗時(shí)長(zhǎng)和耗能大的缺點(diǎn),且成品中溶劑易殘留,影響到產(chǎn)品的安全性,現(xiàn)在正積極開(kāi)發(fā)提取效率高、得率高并且環(huán)境友好(不使用或極少使用有機(jī)溶劑)的提取方法[48]。鄧濤等[49]采用超聲波輔助提取法對(duì)柑橘皮中的色素進(jìn)行提取,提取溶劑為無(wú)水乙醇,橘皮粉碎粒度為80目(0.198mm),料液比為1∶9,超聲波功率為300W,提取時(shí)間為17min,提取溫度為79℃,該條件下所提色素的吸光度值較大,說(shuō)明提取率較高。紫甘薯渣是紫甘薯淀粉提取過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物,含有豐富的紫色素。李帥等[50]以新鮮紫甘薯渣為原料,采用微波萃取法對(duì)其中的紫色素進(jìn)行了提取,在pH2鹽酸水溶液,料液比1∶5(g/mL),溫度70℃,時(shí)間5min,功率600W的條件下,紫色素的吸光度值為0.791,提取效果較好。紫山藥皮中含有大量的花青素,因而呈現(xiàn)出鮮艷的玫瑰色,而且具有很強(qiáng)的抗氧化性和一些獨(dú)特的保健功效。李時(shí)佼等[51]對(duì)紫山藥皮中的花青素進(jìn)行了提取,以吸光度為指標(biāo),在提取溫度70℃,提取時(shí)間1.5h,料液比1∶8,提取劑濃度30%的條件下,提取率最高可達(dá)0.647%。
2.4提取抗氧化物質(zhì)
無(wú)論是花青素、黃酮類(lèi)等多酚類(lèi)物質(zhì),還是維生素C,均具有抗氧化作用,能清除人體內(nèi)的自由基,預(yù)防心血管疾病,提高人體免疫力[52]。提取抗氧化成分的方法主要有溶劑法、微波輔助、超聲波輔助、超臨界萃取等方法。王艾平等[53]發(fā)現(xiàn)我國(guó)對(duì)葛根資源的研究和利用主要是從葛根中提取淀粉和黃酮類(lèi)化合物,隨后對(duì)葛根渣中的抗氧化物質(zhì)進(jìn)行了提取,以蒸餾水為溶劑,在料液比1∶40(g/mL),回流時(shí)間2.0h,回流溫度95℃條件下,提取出的抗氧化物質(zhì)對(duì)O2-的清除率為73.65%,抗氧化能力強(qiáng),為葛根渣的綜合利用提供了依據(jù)。芒果無(wú)論是加工還是鮮食,果皮都被丟棄,沒(méi)有得到有效利用。周毅剛等[54]采用DPPH法和ABTS法對(duì)5種芒果果皮和果肉的抗氧化能力進(jìn)行了分析,證明芒果作為鮮食或者加工廢棄物的芒果皮,其抗氧化物質(zhì)的含量明顯高于芒果果肉,可作為一種潛在的功能性食品原料。葡葡中含有的多酚是一種植物多酚類(lèi)活性物質(zhì),包括酚酸(phenolic acids)、類(lèi)黃酮類(lèi)(flavonoids)、原花色素類(lèi)(proanthocyanidins)、白藜蘆醇(Resveratrol)等,主要存在于葡萄皮與葡萄籽中,籽中含量可達(dá)50%~70%,紅葡萄(Vitis vinifera)的果皮中可達(dá)25%~50%,葡萄中的多酚物質(zhì)不僅能夠延緩動(dòng)脈粥樣硬化,減少血栓的形成,還具有抗菌抗癌、抗過(guò)敏、抗氧化等多種藥理活性,在醫(yī)藥領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值[55]。如何更高效地提取抗氧化物質(zhì)等功能性成分是需要進(jìn)一步研究和關(guān)注的問(wèn)題。
隨著人們對(duì)果蔬制品需求的增加,加工過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物也會(huì)大量增加,為了果蔬加工業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展,最大程度地減少浪費(fèi),有效利用資源,必須尋求這些廢棄物的合理利用途徑。從果蔬加工廢棄物的特點(diǎn)和現(xiàn)代果蔬加工技術(shù)的發(fā)展來(lái)綜合考慮,果蔬加工廢棄物的利用將具有下述發(fā)展趨勢(shì)。
首先,果蔬加工廢棄物可利用來(lái)生產(chǎn)系列膳食纖維減肥產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì),2005~2010年我國(guó)肥胖率最高達(dá)到12%[56],雖尚低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家,但是肥胖問(wèn)題仍不可忽視。作為代謝紊亂性疾病,肥胖往往伴隨糖代謝異常、高血壓、高血脂、異位脂質(zhì)沉積、脂肪肝、心血管疾病等[57],還有患甲狀腺癌的風(fēng)險(xiǎn)[58],因此減肥相當(dāng)必要。而果蔬加工廢棄物因?yàn)楦缓w維素,是生產(chǎn)系列膳食纖維減肥產(chǎn)品的比較理想的原料。
其次,果蔬廢棄物的利用途徑將得到進(jìn)一步擴(kuò)展。例如,可以利用某些果蔬廢棄物特殊的香味來(lái)制作調(diào)味料,像柑橘類(lèi)果皮的應(yīng)用一直不高,大部分被丟棄,但是它們香味獨(dú)特,可制成調(diào)味品,柑橘類(lèi)果皮直接磨碎后可添加于家常小甜餅、蛋糕、調(diào)味汁、水果、沙拉和飯中;可以利用椰子殼、杏仁殼等堅(jiān)果殼制造食品醫(yī)藥等行業(yè)廣泛應(yīng)用的活性炭,理論上絕大部分含碳物質(zhì)均可用于制備活性炭,適宜制備活性炭的原料應(yīng)是固定碳和揮發(fā)性成分含量較高而灰分較少的物質(zhì)[59],農(nóng)林副產(chǎn)品通常具備這一特征且來(lái)源廣泛價(jià)格低廉,因此可以考慮應(yīng)用杏殼、桃殼、椰子殼等物質(zhì)制備活性炭;利用果蔬廢棄物作為能源物質(zhì),通過(guò)焚燒爐焚燒、發(fā)酵產(chǎn)生沼氣等方式發(fā)電等。
另外,高新技術(shù)在果蔬廢棄物處理中的應(yīng)用范圍將大幅度擴(kuò)大。如利用微波輔助提取、超臨界萃取、膜分離技術(shù)等高新技術(shù)從果蔬廢棄物中提取生物活性成分,能夠提高提取率,減少有效成分的損失。在保證衛(wèi)生和質(zhì)量的前提下,可以利用高新技術(shù)將果蔬加工副產(chǎn)物直接制造成成品,如利用真空濃縮及冷殺菌技術(shù)將果蔬廢棄物加工成果醬、蔬菜醬,利用超微粉碎技術(shù)將果蔬廢棄物加工成果蔬粉等,可以真正地變廢為寶。
當(dāng)今世界是低碳的世界,環(huán)保的世界,建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)一直是人類(lèi)共同的追求。果蔬加工副產(chǎn)物的綜合利用,既能消除農(nóng)業(yè)污染,又能變廢為寶。尋求低投入、低能耗、無(wú)害化、高效能的果蔬加工副產(chǎn)物資源化利用技術(shù)是果蔬加工廢棄物綜合利用的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向。
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The research progress of utilization and developmental trend on by-products from processing industry of fruit and vegetables
YANG Wen-jing1,XU Tai-bai1,F(xiàn)ENG Xu-qiao1,*,CHENG Cheng2,LV Jia-yu1,HOU Yu1
(1.Food Science Research Institute of Bohai University,F(xiàn)ood Safety Key Lab of Liaoning Province,Jinzhou 121013,China;2.College of Food Science,Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866,China)
By-product of fruit and vegetable processing industry had increased extensively in our country as the industry develops rapidly,which resulted in serious waste pollution.At the same time,resources loss could not be ignored because of the under-utilization of the by-product as it contains a variety of active ingredients.The present utilization situation of the by-product of fruit and vegetable processing and its developmental trend were described and offered referable suggestions for its comprehensive utilization in the future.
processing of fruits and vegetables;by-product;nutrients;resource utilization
TS255
A
1002-0306(2015)14-0379-05
10.13386/j.issn1002-0306.2015.14.070
2014-10-08
楊文晶(1990-),女,碩士研究生,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品加工與貯藏工程。
馮敘橋(1961-),男,博士,教授,研究方向:農(nóng)產(chǎn)品貯藏與加工工程。
遼寧省科技廳農(nóng)業(yè)攻關(guān)及成果產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(2011205001);渤海大學(xué)人才引進(jìn)基金項(xiàng)目(BHU20120301)。