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矢车菊-3-葡萄糖的抗癌效应研究进展



全 文 :※专题论述 食品科学 2013, Vol.34, No.13 329
矢车菊-3-葡萄糖的抗癌效应研究进展
陈 亮1,2,辛秀兰2,袁其朋1,*
(1.北京化工大学 化工资源有效利用国家重点实验室,北京 100029;2.北京电子科技职业学院生物工程学院,北京 100029)
摘 要:花色苷是一类天然的黄酮类化合物,广泛分布在人们日常饮食的水果蔬菜中。大量的流行病学与动物实验
研究表明花色苷具有癌症化学预防作用。本文总结了在大多数浆果及相关产品中分布最普遍、含量高的花色苷-矢
车菊-3-葡萄糖苷的抗癌效应,这种效应主要通过抗氧化、激活Ⅱ相解毒酶、抗细胞增殖、诱导细胞凋亡、抗炎效
应、抗血管生成、抗细胞侵入、诱导细胞分化等机制来发挥,本文概述了矢车菊-3-葡萄糖苷的癌症预防效应。
关键词:花色苷;矢车菊-3-葡萄糖苷;抗癌效应
Research Progress in Anticancer Effect of Cyanidin-3-glucoside
CHEN Liang1,2,XIN Xiu-lan2,YUAN Qi-peng1,*
(1. State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;
2. College of Bioengineering, Beijing Polytechnic, Beijing 100029, China)
Abstract:Anthocyanins are a group of naturally occurring flavonoid compounds, which is widely available in fruits
and vegetables in human diets. A lot of epidemiological and animal experiments have demonstrated that anthocyanins
may contribute to cancer chemoprevention. In this article, we summarize the anti-cancer effects and the mechanisms of
anthocyanins and cyanidin-3-glucoside (C3G) in berries and related food products on several key steps: antioxidant effects,
enzyme activation, anti-cell proliferation, apoptosis induction, anti-inflammation, anti-angiogenesis, anti-invasiveness,
and differentiation induction. This review provides a molecular view of cyanidin-3-glucoside contributing to cancer
chemoprevention.
Key words:anthocyanins;cyanidin-3-glucoside;anti-cancer effect
中图分类号:TS255.1 文献标志码:A 文章编号:1002-6630(2013)13-0329-05
doi:10.7506/spkx1002-6630-201313069
收稿日期:2012-03-31
基金项目:国家公益性行业(农业)科研专项(201103037);北京市属高等学校人才强教深化计划资助项目;
北京市职业院校职教名师资助项目
作者简介:陈亮(1986—),男,博士研究生,主要从事天然产物的分离纯化研究。E-mail:chen2010080145@163.com
*通信作者:袁其朋(1969—),男,教授,博士,主要从事天然产物生物合成与分离纯化研究。E-mail: yuanqp@mail.buct.edu.cn
花色苷(anthocyanin)是一类水溶性的天然色素,属于
黄酮类化合物,在高等植物中普遍存在,赋予浆果、葡
萄、苹果、紫甘蓝和紫玉米等水果蔬菜以红、蓝和紫等
多种绚丽的色彩。
花色苷的苷元为花色素(anthocyanidin),在植物中
常见的含量较高的有六种花色素,即矢车菊素、飞燕
草素、锦葵色素、天竺葵色素、芍药色素和牵牛花色
素等,相对含量分别为50%、12%、12%、12%、7%和
7%,但是花色素在自然状态下不稳定,因此,在植物中
花色苷都无一例外地以糖苷的形式存在。花色苷的糖苷
有葡萄糖、半乳糖、阿拉伯糖、木糖、芸香糖等,常与
花色素C环3位羟基相连,由于糖基数目和种类的不同,
目前,已被鉴定的花色苷超过400种[1]。
近年来,除了利用花色苷良好的着色性,开发了一
些天然色素外,其潜在的生物和药理保健作用也受到人
们广泛地关注,流行病学研究表明,食用花色苷或富含
花色苷的食物可以降低患心血管疾病、糖尿病、关节炎
和癌症等疾病的风险,这在一定程度上与其抗氧化性和
抗炎活性相关[2]。
矢车菊素-3-葡萄糖苷(图1)是自然界中存在的最普
遍、最典型、比较稳定、易于获得的花色苷或矢车菊
素,它在水果蔬菜中含量千差万别,Wu Xianli等[3]研究
了21种常见水果中花色苷的种类,矢车菊-3-葡萄糖的分
布最为普遍,而含量较高的浆果有接骨木果、黑莓、湾
月桂果[4],因此,研究矢车菊-3-葡萄糖苷的抗氧化、抗
炎,乃至抗癌、抗突变作用对花色苷的开发和应用以及
对浆果的营养保健作用的理解都具有重要意义。
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图 1 矢车菊-3-葡萄糖苷的结构式
Fig.1 Chemical structure of cyanidin 3-glucoside
1 矢车菊-3-葡萄糖苷的抗癌机理
癌症是世界上死亡率仅次于心血管病的疾病,严重
威胁着人类的健康。虽然在对致癌作用以及癌症治疗的
研究方面有了很大的进展,但是近半个世纪以来,癌症
的发生率和死亡率仍在持续上升,据世界卫生组织2008
年统计结果显示,全球大多数癌症死亡由肺癌、乳腺
癌、结肠癌、胃癌、前列腺癌造成,而对于不同性别而
言,男性癌症死亡率由高到低依次为肺癌、前列腺癌、
结肠癌、胃癌、肝癌,女性为乳腺癌、结肠癌、宫颈
癌、肺癌和胃癌[5]。流行病学研究表明,仅有一小部分癌
症是遗传性的,而环境因素是最主要的致癌原因,因此
是可以改变的。癌症的发展是一个多阶段、多机制的过
程,包括始发、发展、恶化、侵入和转移等阶段。用药物
或天然产物延迟或逆转致癌过程的化学预防手段是减少
癌症发病极为有希望的策略之一,很多人们饮食中含有
的天然成分是潜在的化学预防或治疗药物[6]。最近美国癌
症研究所发布关于饮食预防癌症报告称,在世界范围内
7%~31%的癌症可以通过多食用水果蔬菜来减少发生[7]。
因此,寻找新的天然产物,确定新的靶点成为癌症化学
预防研究的热点领域。
Sun Chongde等 [8]实验表明从杨梅中纯化的矢车
菊-3-葡萄糖苷对胃癌细胞SGC7901、AGS和BGC823
有很强的抑制活性,并呈量效依赖性关系,在
40.88~42.40μg/mL范围内,对SGC7901细胞生长的抑制
率最高,可达92.66%~93.75%。Shih等[9]研究了5种花色
素(矢车菊素、飞燕草素、锦葵色素、天竺葵色素和芍药
色素)和4种花色苷(矢车菊素-3-葡萄糖苷、锦葵色素-3-葡
萄糖苷、天竺葵素-3-葡萄糖苷和芍药色素-3-葡萄糖苷)
对胃癌细胞的抑制效应,在200μmol/L浓度条件下,矢车
菊-3-葡萄糖苷处理胃癌细胞AGS的存活率为83%。Reddy
等[10]研究了水溶性色素甜菜苷、花色苷(矢车菊-3-葡萄
糖苷)和脂溶性色素胭脂红、番茄红素、β-胡萝卜素和叶
绿素天然色素单一或联合用药对乳腺癌细胞MCF-7、结
肠癌细胞HCT-116、胃癌细胞AGS、中枢神经系统癌细
胞CNS、肺癌细胞NCI-H460的生长抑制活性,其中矢车
菊-3-葡萄糖苷单一对肺癌细胞NCI-H460生长抑制的半数
抑制质量浓度IC50为158μg/mL,在200μg/mL质量浓度条
件下对HCT-116、MCF-7、AGS的抑制率分别为40%、
40%和25%,但对CNS中枢神经系统癌细胞的生长没有影
响。此外,由于食物中这些色素是混合存在的,联合用
药实验结果表明不是所有的组合都和单一的色素的抑制
活性相同,甜菜苷与矢车菊-3-葡萄糖苷联合用药就极大
地降低了它们各自的效力。因此,食物或补充剂中含有
这两种色素可能不会达到预期的保健作用。
大量研究证实花色苷(包括矢车菊-3-葡萄糖苷)能够
对多种不同肿瘤细胞的生长起到抑制作用,矢车菊-3-葡
萄糖苷对致癌作用和肿瘤生长的抑制效应,主要通过修
正氧化还原状态和调控细胞的基本生理活动(细胞周期、
细胞凋亡、炎症反应、侵入和转移)等机制发挥作用。
1.1 抗氧化效应
花色苷能够清除超氧根阴离子(O2-·)、单线氧阴离
子(‘O2)、环氧根阴离子(ROO-)、过氧化氢(H2O2)和羟自
由基(·OH)等活性氧(ROS)。在结肠、内皮、肝、乳腺、
白细胞、角质细胞等多种细胞系中,花色苷通过直接清
除ROS、增加细胞的氧自由基吸收能力、刺激Ⅱ相解毒
酶的表达、减少DNA中氧化性加合物的形成、减少脂过
氧化、抑制环境毒素和致癌物的致突变作用和调控信号
转导途径减少细胞增殖等方式发挥抗癌效应。虽然花色
苷大部分的保护效应都与清除ROS的能力有关,但是,
也可以螯合金属离子和直接结合蛋白质发挥作用。从花色
苷的构效关系看,花色苷的清除自由基活性与其酚类结构
紧密相关,很大程度上在于分子中C环和B环上的羟基,一
般而言,花色苷清除自由基的活性随着糖基单位的减少和
苷元花色素羟基的增加而增加[11],Kahkonen等[12]研究表明
在17μmol/L浓度条件下,矢车菊-3-葡萄糖苷清除DPPH自
由基的清除率小于矢车菊素,大于矢车菊-3-芸香糖苷、
矢车菊-3,5-二葡萄糖苷和矢车菊-3-(木糖-葡萄糖)-5-半乳
糖苷,酰化的矢车菊-3-(木糖-葡萄糖)-5-半乳糖苷虽然可
以提高清除率,但仍低于矢车菊-3-葡萄糖苷。
氧化应激损伤可以导致细胞毒性和黄曲霉毒素
B1(AFB1)的致癌效应。同样,诱导氧化应激反应对赭曲
霉素A(OTA)的毒性也发挥着重要的作用。Guerra等[13]研
究表明矢车菊-3-葡萄糖苷能够减少人肝癌细胞系HepG2
和人结肠癌细胞系CaCo-2中两种毒素造成的ROS的产
生,并且抑制蛋白和DNA的合成及细胞凋亡,因此,矢
车菊-3-葡萄糖苷在体外对AFB1和OTA诱导的细胞损伤有
重要的保护效应。
1.2 激活Ⅱ相解毒酶
细胞经常接触有毒、致突变和致癌的毒物,就会产
生ROS、活性氮(RNS)以及其他亲电性代谢物等多种活性
中间体,这些中间体可以破坏细胞的生理活动。花色苷
※专题论述 食品科学 2013, Vol.34, No.13 331
可以诱导Ⅱ相解毒酶,如UDP-葡糖醛酸转移酶(UGT)、
谷胱甘肽-S-转移酶(GST)和醌氧化还原酶(NAD(P)H)和抗
氧化酶解除致癌物的毒性,从而发挥抗细胞损伤和致癌
的化学预防效应[14]。
Shih等[15]研究表明10种花色素及花色苷(包括矢车菊-3-
葡萄糖苷)能够激活谷胱甘肽相关酶(谷胱甘肽还原酶、谷
胱甘肽过氧化酶和谷胱甘肽-S-转移酶)、增加GSH的含量
以及增加NAD(P)H:醌氧化还原酶(NQO1)活性来提高抗
氧化能力。近年来发现氧化还原敏感性转录因子NF-E2相
关因子-2(Nrf2)是Ⅱ相酶转录表达中重要的影响因子,它
在多种细胞和组织中与编码抗氧化和解毒酶基因启动子区
域的抗氧化反应成分(ARE)或应激反应成分(StRE)结合,
增强Ⅱ相酶的表达,实验构建带有小鼠nqo-1启动子的质
粒转染细胞,然后用花色苷诱导转染细胞的萤光素酶的表
达,结果显示激活了ARE的上游基因,说明花色苷可以作
为化学预防的植物化合物,刺激抗氧化系统抵御氧化诱导
损伤,因此,花色苷增强ARE-相关的Ⅱ相酶表达效应可
看作是调控防御系统抗氧化应激的关键点。
1.3 抗细胞增殖
抑制细胞增殖、在细胞周期的一个或多个检验点阻
滞细胞生长都与重要蛋白或酶的表达改变相关,从而发
挥抗肿瘤作用。据报道,花色苷可以作用于细胞周期调
节蛋白(例如:p53、p21、p27、细胞周期蛋白D1、细胞
周期蛋白A等)和细胞周期调节酶系,阻断细胞周期的不
同阶段的生长抑制细胞增殖。其中,细胞周期蛋白依赖
性激酶(CDKs)、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂(CDKIs)
和细胞周期蛋白都是细胞循环周期进程中重要的调节
剂,在大多数肿瘤细胞中发现,由于细胞解除对增殖的
检查,这些调节剂分子在细胞内高度表达,同时增加了
CDK的活性。CDKIs是肿瘤抑制蛋白,它们可以与活性
CDK-细胞周期蛋白复合物结合,下调细胞循环进程,从
而抑制激酶的活性[16-18]。
Chen Peini等[19]研究表明在人乳腺癌细胞HS578T、
胃癌细胞AGS、人肝癌细胞SKHep-1和Huh-7、人宫颈癌
细胞HeLa以及鼠肺癌细胞LLC等多株癌细胞系中,高度
转移性的乳腺癌细胞HS578T对矢车菊素-3-葡萄糖苷最敏
感,矢车菊-3-葡萄糖苷下调CDK-1和细胞周期蛋白B1,
阻滞细胞周期G2/M期,显著减少CDK-2和细胞周期蛋白
D1的表达,并呈量效依赖关系,发挥很强的抑制作用。
此外,实验显示低浓度(2μmol/L)的矢车菊素-3-葡萄糖苷
虽不能影响HS578T细胞的存活率,但可以改善阿霉素对
HS578T细胞生长的抑制效应。提高阿霉素的广谱临床治
疗癌症的效果。
1.4 诱导细胞凋亡
花色苷通过诱导细胞凋亡发挥作用,以阻止肿瘤的
发展、恶化和细胞炎症反应的发生。王海波等[20]研究表
明矢车菊素-3-葡萄糖苷可呈浓度依赖性抑制体外胰腺癌
BxPC-3细胞生长,并显著诱导细胞凋亡。矢车菊素-3-葡
萄糖苷可分别上调和下调BxPC-3细胞中XIAP和Smac的
表达发挥抗癌作用。
Carmela等[21-22]实验表明矢车菊-3-葡萄糖苷能够诱导
白血病细胞系Jurkat T细胞、HL-60和PHA-刺激的人淋巴
细胞(Jurkat T细胞对等的健康细胞)3种细胞系细胞凋亡,
对白血病细胞没有选择性,白血病细胞Jurkat T的细胞凋
亡是通过p53和bax蛋白表达来调控的。Chen Peini等[19]研
究表明矢车菊素-3-葡萄糖苷除了抑制癌细胞增殖外,也
能够诱导HS578T细胞凋亡蛋白酶激活、染色质浓缩和细
胞死亡。Hirotaka等[23]发现从黑豆皮中分离纯化得到矢车
菊-3-葡萄糖苷对人白血病Molt 4B细胞有很强的抑制作
用,通过形态变化发现矢车菊-3-葡萄糖苷处理过的细胞
出现了细胞凋亡体,并造成DNA断裂成寡核苷酸片段,
呈浓度依赖性关系,并用一种抗氧化剂N-乙酰基-半胱氨
酸抑制花色苷造成的DNA断裂,进一步证实矢车菊-3-葡
萄糖苷通过诱导细胞凋亡来抑制Molt 4B细胞的生长。
Lee等[24]实验表明矢车菊-3-葡萄糖苷对肝癌细胞有抗增殖
和抗渗透作用,通过激活线粒体通路和抑制抗细胞凋亡
蛋白诱导和加强细胞凋亡,因此,矢车菊-3-葡萄糖苷能
被用于治疗乙肝病毒(HBV)引起的肝癌。
1.5 抗炎效应
近年来,人们认识到慢性炎症是多种疾病重要的
病态反映,如:动脉粥样硬化、癌症、糖尿病、充血性
心力衰竭、消化系统疾病和老年痴呆症。这些疾病中,
巨噬细胞产生过量的促炎症细胞因子、促炎症酶和炎症
介素不断积累,导致了疾病的发展。参与维持炎症最重
要的酶包括诱导性的一氧化氮合成酶(iNOS)和环氧化酶
(COX)-2等诱导酶。Reddy等[10]研究了甜菜苷、矢车菊-3-
葡萄糖苷两种水溶性色素及胭脂红、番茄红素、叶绿素
和β-胡萝卜素等脂溶性色素单体单一或联合用药对环氧
化酶的抑制活性。所有色素对COX-1和COX-2酶都有抑
制作用,矢车菊-3-葡萄糖苷(100μg/mL)抑制COX-2酶的
抑制率为59%,对COX-1酶的抑制率为78%。此外,测
定了甜菜苷和矢车菊-3-葡萄糖苷(各100μg/mL)联合用药
的效果,虽然甜菜苷对COX-2酶有选择性,但当与花色
苷联合用药则降低了甜菜苷自身的选择性和抑制活性。
过氧化酶增殖激活受体γ(PPARγ)和肝X受体α(LXRα)
都是核受体,激活这两种核受体可以显著拮抗体外炎症
基因的表达。Wang Qing等[25]用矢车菊-3-葡萄糖苷预处理
THP-1巨噬细胞,增强了细胞核受体PPARγ和LXRα的表
达和转录活性,在mRNA和细胞水平,抑制了LPS诱导的
iNOS和COX-2,同时还降低了NO和PGE2。LXRα激活在
矢车菊-3-葡萄糖抗炎特性发挥了重要的作用,为理解花
色苷抗炎特性提供了新的分子基础。
332 2013, Vol.34, No.13 食品科学 ※专题论述
1.6 抗细胞侵入
蛋白酶降解基膜胶原是细胞侵入早期的重要事件。
肿瘤和基质细胞分泌蛋白水解酶促进细胞外基质的降
解,造成了细胞侵入。基膜的降解不在于蛋白水解酶的
量,而有赖于激活蛋白酶与其抑制剂之间的平衡。
Sun Chongde等[8]研究了从杨梅中分离纯化矢车菊-3-
葡萄糖苷对SGC7901、AGS和BGC823胃癌细胞的抗癌效
应,发现抗癌效应与矢车菊-3-葡萄糖苷的浓度及DPPH
自由基的清除能力相关。矢车菊-3-葡萄糖苷降低了细胞
的繁殖、黏着力以及细胞凋亡的不正常形态变化特征,
呈量效依赖性关系。此外,MMP-2即白明胶酶,在肿瘤
细胞的转移过程中很重要,矢车菊-3-葡萄糖可以增强对
SGC7901细胞MMP-2蛋白的表达抑制。
Ding Min等 [26]研究了矢车菊-3-葡萄糖苷化学预防
和化学治疗的效果,结果显示矢车菊-3-葡萄糖苷能够
清除大鼠JB2细胞紫外线B(UVB)诱导的·OH和O2-·,
体内实验表明矢车菊 -3 -葡萄糖苷可以减少每只大鼠
TPA诱导的恶性和非恶性皮肤肿瘤的数目;矢车菊-3-
葡萄糖苷还可以抑制JB6细胞UVB和TPA诱导的NF-κB
和AP-1的超激化及COX-2和TNF-α的表达,矢车菊-3-
葡萄糖苷阻断JB6细胞TPA诱导新肿瘤的转化,抑制人
肺癌细胞系A549细胞的增殖。此外,动物研究表明矢
车菊-3-葡萄糖苷减少了A549肿瘤异种移植物生长的大
小,这些结果表明矢车菊-3-葡萄糖苷抑制了A549肿瘤
细胞的转移和侵入,并证实了花色苷能够抑制体内肿瘤
的形成和转移。
X u M e i等 [ 2 7 ]研究结果表明矢车菊 - 3 -葡萄糖
苷减弱了乳腺癌细胞 ( B T 4 7 4、M D A - M B 2 3 1和
M C F 7 E r b B 2 )的转移或侵入,减少了乙醇调节的细
胞对胞外基质的黏着、黏着斑的形成和板块伪足
的发展,抑制了乙醇刺激的ErbB2、cSrc、FAK 和
p130Cas的磷酸化以及与这些蛋白的相互作用,消除
了乙醇调节的p130Cas/JNK的相互作用。由此,矢车
菊-3-葡萄糖苷阻断了乙醇诱导的细胞转移或侵入必须
的ErbB2/cSrc/FAK途径的激活,对预防或减少乙醇诱
导的乳腺癌的转移是有益的。
1.7 诱导细胞分化
诱导细胞分化专一性地预防和治疗癌症可能是一种
毒性更低的方法。用药物诱导细胞分化,改变肿瘤生长
过程的治疗方法称为分化治疗。Annalucia等 [28]用矢车
菊-3-葡萄糖苷诱导TVM-A12人黑色素瘤细胞系分化,
促使细胞从增殖状态恢复到分化状态,黑色素细胞中
NF-160kD和NF-200kD的表达证实了NFPs表达的增加与
细胞分化和恶性细胞逆转的相关性。黏着性强是分化细
胞的另一特征,矢车菊-3-葡萄糖苷可以使肿瘤细胞的黏
着斑显著增加,表明它减少了细胞的运动性,并通过黏
着斑重组增加了黏着性。矢车菊-3-葡萄糖苷也可以影响
TVM-A12人黑色素瘤细胞中黑色素的形成和黑色体的成
熟,这种效应通过上调cAMP途径并增加酪氨酸酶的表
达和活性来调节,酪氨酸酶是控制黑色素合成特定的酶
系,通过影响黑色素的形成和黑色体的成熟,矢车菊-3-
葡萄糖苷减少了UV诱导的癌症。此外,矢车菊-3-葡萄糖
苷促使酪氨酸酶的过量表达,大量上调黑色素细胞分化
抗原Melan-A/MART-1,进一步证实了矢车菊-3-葡萄糖
苷诱导癌细胞分化的效应。此外,Carmela等[22]研究表明
矢车菊-3-葡萄糖苷诱导白血病细胞系HL-60细胞分化成
巨噬细胞样细胞和粒细胞。
2 药代动力学和代谢
一般情况下,矢车菊-3-葡萄糖苷以完整的糖苷形式
被吸收,它消除速率很快,在生物流体和组织中的半衰
期为0.3~1.8h,生物利用度为1.7%[29],在尿液中主要以
葡萄糖醛酸化或甲基化衍生物的形式排泄[30]。
花色苷能够抑制肿瘤细胞生长、刺激细胞凋亡以及
调控体内致癌信号的传导活动的浓度在10-6~10-4mol/L范
围内。矢车菊-3-葡萄糖苷口服30min后达到峰浓度,在
10-4~10-3mol/L浓度范围内,与体外细胞实验发挥致癌效
应的浓度相近[31]。
3 应用前景
矢车菊素和矢车菊 -3 -葡萄糖苷都具有很强的抗
癌特性,它们都能够抑制多种肿瘤细胞生长和诱导细
胞凋亡。但是,矢车菊素化学结构的不稳定性,阻碍
了它的临床应用。在细胞培养基中,矢车菊素降解的
半衰期少于30min[32],在血浆和组织中的稳定性还不
确定,同时它在肠道中会被微生物迅速分解,而矢车
菊-3-葡萄糖苷的化学稳定性明显好于矢车菊素,尤其
在接近中性的环境下也能稳定 [33],这对于将其作为药
物开发的备选药物是有益的。矢车菊素和矢车菊苷稳
定性的差异,主要是由于糖苷能够阻止或延缓α-二酮
中间体降解呈酚酸和醛。在人血中,矢车菊-3-葡萄糖
苷在室温条件下可以稳定存在4h,而在-80℃条件下
可以保存2个月[34]。
此外,大量研究对矢车菊-3-葡萄糖苷抗癌效应细
胞、分子水平的理解,揭示了矢车菊-3-葡萄糖苷的抗癌
效应主要通过清除自由基、激活Ⅱ相解毒酶、抑制细胞
增殖、抗炎、抑制细胞侵入以及诱导细胞凋亡和细胞分
化来实现。因此,矢车菊-3-葡萄糖苷是很有潜力的化合
物,可被用于开发抗癌的候选药物。
※专题论述 食品科学 2013, Vol.34, No.13 333
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