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中国精品科技期刊2020

响应面法优化浓香型基酒重蒸馏工艺的研究

陈雪鹏, 戴姗, 余有贵, 张滢滢, 伍强, 郑青, 熊翔

陈雪鹏,戴姗,余有贵,等. 响应面法优化浓香型基酒重蒸馏工艺的研究[J]. 食品工业科技,2022,43(7):233−238. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021080134.
引用本文: 陈雪鹏,戴姗,余有贵,等. 响应面法优化浓香型基酒重蒸馏工艺的研究[J]. 食品工业科技,2022,43(7):233−238. doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021080134.
CHEN Xuepeng, DAI Shan, YU Yougui, et al. Optimization of Second Distillation Process of Nongxiang Cude Baijiu by Response Surface Methodology[J]. Science and Technology of Food Industry, 2022, 43(7): 233−238. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021080134.
Citation: CHEN Xuepeng, DAI Shan, YU Yougui, et al. Optimization of Second Distillation Process of Nongxiang Cude Baijiu by Response Surface Methodology[J]. Science and Technology of Food Industry, 2022, 43(7): 233−238. (in Chinese with English abstract). doi: 10.13386/j.issn1002-0306.2021080134.

响应面法优化浓香型基酒重蒸馏工艺的研究

基金项目: 2020年度国家级和湖南省大学生创新创业训练计划项目(湘教通[2020]191-3387);湖南省教育厅科学研究重点项目(18A383);湖南省教育厅优秀青年项目(19B505)。
详细信息
    作者简介:

    陈雪鹏(1995−),男,硕士,助理工程师,研究方向:生态酿酒新技术,E-mail:1169830498@qq.com

    通讯作者:

    余有贵(1964−),男,博士,教授,研究方向:发酵工程与生态酿酒新技术,E-mail:yufly225@163.com

  • 中图分类号: TS262.3;TS261.4

Optimization of Second Distillation Process of Nongxiang Cude Baijiu by Response Surface Methodology

  • 摘要: 为提高基酒品质而优化重蒸馏工艺,以浓香型基酒为原料,将杂醇油分离效率作为评价指标,通过响应面试验设计对重蒸馏的温度、时间和压力进行优化。结果表明:基酒的最佳重蒸馏工艺条件为温度85.5 ℃,时间92.7 min,压力0.16 MPa,在此条件下,杂醇油分离效率可达89.31%。重蒸馏酒液的杂醇油含量较基酒和贮存2年的基酒显著降低(P<0.05),己酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯的四大酯比例在浓香型白酒的理想比例范围内,其风格保持不变而口感质量有所提升。因此,重蒸馏技术为快速实现基酒老熟提供了新的方法。
    Abstract: In order to improve the quality of cude baijiu, the second distillation process was optimized. Cude baijiu of nongxiang baijiu was used as raw material, and the separation efficiency of fusel oil was taken as an evaluation index. The temperature, time and pressure of the second distillation were optimized by response surface design. The results showed that the optimum second distillation process conditions of cude baijiu were temperature 85.5 ℃, time 92.7 min and pressure 0.16 MPa. Under these conditions, the separation efficiency of fusel oil could reach 89.31%. Fusel oil content of second distillation baijiu was significantly lower than that of cude baijiu and cude baijiu stored for 2 years(P<0.05). The proportion of four esters in the second distillation baijiu was all within the ideal proportion of nongxiang baijiu of ethyl caproate, ethyl lactate, ethyl acetate and ethyl butyrate, its style remained unchanged, but the taste quality was improved. Therefore, the second distillation process technology provides a new method for rapid aging of cude baijiu.
  • 中国传统的固态法白酒采用固态甑桶的一次性蒸馏方式,从固态酒醅中分离浓缩酒精和香味成分[1-2]。由于提取的香味成分众多且比例不协调,基酒具有辛辣刺激感和不愉快的气味,需要进行长时间的贮存与老熟[3-4],因而降低了生产效率,提高了生产成本[5-6]。因此,人们在探索解决问题的新途径,期望找到既能缩短基酒贮存期又能提高其品质与安全性的方法[7-8]。重蒸馏是在传统白酒一次性蒸馏后对基酒进行第二次蒸馏的一种蒸馏方式[9],它普遍应用于白兰地、威士忌等世界其它著名的蒸馏酒生产中 [10-11],但在白酒中的研究鲜有报道。吴晨岑等[12]使用壶式蒸馏、常压蒸馏及减压蒸馏3种方式对浓香型原酒进行二次蒸馏,能有效去除原酒的异嗅(如4-甲基苯酚等),但酒体仍不失浓香型酒的主体风格。

    影响基酒品质安全的微量成分主要有杂醇油、糠醛、丙烯醛、乙醛和硫化氢等,其中杂醇油又称高级醇,是指3个碳原子以上的一元醇类,是白酒的呈香呈味物质之一[13]。当其含量低时,会带来一股特别的芳香,如仲丁醇具有清香感;正丁醇则带茉莉香;正戊醇呈奶油味;苯乙醇赋予白酒玫瑰香味[14-15];但当它含量较高时,不仅会导致酒辛辣、苦涩,而且会令人头脑昏涨,因此被称为“上头物质”[16]

    本研究利用自行研发的重蒸馏装置进行电磁加热蒸馏基酒,根据各微量成分的沸点不同实现分离,旨在将基酒中杂醇油等不利于基酒品质安全的微量成分快速分离出去,从而有效改善白酒品质。在本团队单因素实验的基础上[17],以杂醇油为检测指标,采用响应面的多因素试验设计方法优化二次蒸馏的工艺条件。

    基酒 浓香型,酒精度为68.1% vol,由湖南湘窖酒业有限公司提供;正丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、正戊醇、异戊醇、仲戊醇、正己醇、乙酸正戊酯、2-乙基丁酸 均为色谱纯,购于迪马科技有限公司。

    7890B型气相色谱仪(配备毛细管柱分流/不分流进样系统) 美国安捷伦公司;纯粮固态发酵白酒重蒸馏装置[18] 邵阳学院生态酿酒实验室自主研发。

    将基酒装入重蒸馏装置后加热,控制不同的温度、压力和时间的重蒸馏条件下进行蒸馏,基酒的组分会不同程度地挥发,对不同条件下的基酒进行分段馏取,当酒液达到指定温度时开始进行组分分段接取。在指定加热时间停止,集取基酒初馏组分;关闭蒸馏压力,利用装置氮气系统集取基酒中馏组分;关闭整个重蒸馏装置,集取基酒存留组分。在单因素实验基础上,较适宜的条件下(重蒸馏温度85 ℃,重蒸馏时间100 min,重蒸馏压力0.15 MPa),经冷凝收集到三种不同蒸馏组分:初馏组分(中低沸点组分)、中馏组分(中高沸点组分)、存留组分(高沸点组分),将初馏组分与中馏组分按等比例混合得到重蒸馏酒(见图1)。

    图  1  重蒸馏工艺流程
    Figure  1.  The second distillation process flow

    以单因素实验结果为基础[17],根据Box-Behnken试验设计原理,运用Design-expert V8.0软件进行响应面试验设计[19-20],通过检测杂醇油分离效率,优化重蒸馏法分离基酒中杂醇油的工艺条件。选择的因素和水平见表1

    表  1  Box-Behnken 设计因素及水平
    Table  1.  Factors and level of Box-Behnken design
    水平因素
    A 重蒸馏温度(℃)B 重蒸馏时间(min)C 重蒸馏压力(MPa)
    −180800.10
    0851000.15
    1901200.20
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    基酒、初馏组分、中馏组分、存留组分、重蒸馏酒等酒样,用气相色谱内标法分别对其杂醇油与主要微量成分含量进行检测[21-23],并对各酒样进行感官品评。

    气相色谱条件:CP-Wax 57 CB毛细管柱(0.25 mm×50 m×0.2 μm);升温程序:初始温度40 ℃保持5 min,以3 ℃/min升至50 ℃保持6.5 min,再以6 ℃/min升至90 ℃保持5 min,再以10 ℃/min升至130 ℃保持2 min,再以5 ℃/min升至190 ℃保持1.4 min,再以10 ℃/min升温至195 ℃保持20 min;载气(N2)流速1.0 mL/min,进样方式:分流进样,分流比:20:1,进样量:1 μL,平衡时间:1 min,进样口温度:200 ℃,检测器温度:300 ℃,气体流量:氢气30 mL/min,空气400 mL/min,尾吹气:25 mL/min。

    杂醇油分离效率计算:杂醇油分离效率计算公式见下式:

    X=W1W×100

    式中:X为杂醇油分离效率(%);W1为存留组分中杂醇油含量(g/L);W为基酒中杂醇油含量(g/L)。

    参照GB/T 12315-2008 感官分析 方法学 排序法的方法[24],对几种酒样按色、香、味、格四个方面进行感官描述,由湖南湘窖酒业有限公司9名品酒员完成。

    所有试验均重复三次,取平均值±标准差。利用SPSS 23.0中的 one-way ANOVA 和 Origin 2018、Design-expert V8.0软件进行数据的分析及作图。

    根据参考文献吴晨岑等[9,12]对白酒二次蒸馏的研究指标,结合在前期预实验以及后续正式实验研究过程中发现,在杂醇油分离效率最大时酒样的主体风格能得到较好的保留,同时能够较好的降低新酒中杂醇油的含量,新酒中其他微量成分同时能够较好地保存。因此,以杂醇油分离效率的最大值作为重蒸馏分离杂醇油效果的评定指标。

    运用 Box-Behnken 进行3因素3水平的响应面试验,结果见表2

    表  2  响应面试验方案及结果
    Table  2.  Design and results of response surface test
    试验号A
    重蒸馏温度
    B
    重蒸馏时间
    C
    重蒸馏压力
    Y 响应值
    分离效率(%)
    100089.02
    200088.87
    3−1−1086.75
    410−181.20
    510187.12
    60−1−184.39
    7−11085.90
    80−1187.22
    900089.69
    10−10−183.41
    111−1087.47
    1200088.82
    13−10185.22
    1411085.81
    1500089.13
    1601−183.88
    1701186.61
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    采用Design-Expert 8.0软件对表2数据进行拟合得出二次多项回归方程为:

    Y=89.11+0.040A−0.45B+1.66C−0.20AB+1.03AC−0.025BC−1.96A2−0.67B2−2.91C2

    表3可知:模型的P<0.0001<0.01,表明基酒重蒸馏试验回归模型方程对杂醇油分离效率的影响极显著(P<0.01)的,在统计学上具有统计学意义。失拟项P值为0.1913>0.05说明无失拟因素存在。因此,可用该回归方程代替试验真实点对试验结果进行分析。模型的调整确定系数R2Adj=0.9628,说明基酒重蒸馏试验模型对杂醇油分离效率预测值与实测值有较好的拟合水平,试验误差较小,证明利用重蒸馏温度、重蒸馏时间、重蒸馏压力作为单因素建立分离基酒中杂醇油的工艺优化模型,可以提高杂醇油的分离效率。

    表  3  回归模型的方差分析
    Table  3.  Variance analysis of regression model
    方差来源平方和自由度均方FP
    模型86.3699.6047.07<0.0001**
    A重蒸馏温度0.01310.0130.0630.8093
    B重蒸馏时间1.6511.658.080.0250*
    C重蒸馏压力22.08122.08108.29<0.0001**
    AB0.1610.160.800.3995
    AC4.2214.2220.710.0026**
    BC2.500E-00312.500E-0030.0120.9149
    A216.10116.1078.98<0.0001**
    B21.8811.889.220.0190*
    C235.73135.73175.25<0.0001**
    残差1.4370.20
    失拟项0.9430.312.580.1913
    纯误差0.4940.12
    总和87.7916
    注:*为差异显著,P<0.05;**为差异极显著,P<0.01。
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    根据上述模型,通过二次回归方程得到的重蒸馏试验因素对基酒中杂醇油分离效率影响的响应面图见图2。响应面图的曲面形状中,曲面较陡说明该因素对基酒中杂醇油分离效率的影响显著,曲面较圆则说明该因素影响不显著[25]

    图  2  各试验因素交互作用对杂醇油分离效率影响
    Figure  2.  Effect of interaction of various experimental factors on separation efficiency of fusel oi

    图2a基酒重蒸馏响应面可知,提高重蒸馏温度和蒸馏时间有利于分离效率的提高,随着时间与温度增加,分离效率都呈现先上升再下降的趋势,但时间与温度的曲线变化较为平缓,说明重蒸馏时间与温度两因素间对杂醇油分离效率的影响不显著,基酒杂醇油分离效率数值的变化对响应值无显著性变化。由等高线图可知,两因素之间的交互作用不明显。图2b为重蒸馏压力与温度对基酒杂醇油分离效率的影响,从三维立体图可以看出,增大蒸馏压力和蒸馏温度有利于分离效率的提高,分离效率存在极大值点。当保持蒸馏温度不变时,随着蒸馏压力的升高,基酒杂醇油分离效率先增高后降低;当基酒重蒸馏压力不变时,重蒸馏温度增加,基酒杂醇油分离效率也出现先增加后降低的变化。等高线图表明,基酒重蒸馏压力与重蒸馏温度交互作用明显,其中重蒸馏压力对基酒杂醇油分离效率比重蒸馏温度影响大,这与基酒重蒸馏方差分析试验结果一致。根据图2c可知,基酒重蒸馏压力与时间两因素之间对杂醇油分离效率的交互作用不明显,在所考察的重蒸馏压力和重蒸馏时间范围内,杂醇油的分离效率呈现先升高后降低的趋势,存在极大值,但基酒分离效率随重蒸馏时间的曲线变化较为平滑。此外,由重蒸馏新酒中杂醇油效率等高线可知,基酒重蒸馏压力等高线趋势变化相对于重蒸馏时间而言,其等高线改变的程度明显,说明重蒸馏压力对基酒杂醇油分离效率的影响较重蒸馏时间大。经软件处理,基酒中分离杂醇油的最佳工艺为:重蒸馏温度85.545 ℃、重蒸馏时间92.748 min、重蒸馏压力0.165 MPa,基酒杂醇油分离效率理论预计值89.44%。

    结合重蒸馏试验实际情况,工艺参数修正为:重蒸馏温度85.5 ℃、重蒸馏时间92.7 min、重蒸馏压力0.16 MPa,做3组平行试验,得到基酒杂醇油平均分离效率值为89.31%,与理论预测值89.44%的相对误差仅为0.1453%,说明回归方程能较真实反映各因素对基酒中杂醇油分离效率的影响,用响应面法优化重蒸馏对基酒中杂醇油分离效率的回归模型可靠。

    表4可知:基酒经重蒸馏后,重蒸馏酒的杂醇油含量显著降低,重蒸馏酒<贮存2年的基酒<基酒(P<0.05),重蒸馏酒中杂醇油含量优于贮存2年的基酒;重蒸馏酒的四大酯比例为己酸乙酯:乳酸乙酯:乙酸乙酯:丁酸乙酯=1:0.749:0.543:0.041,完全符合浓香型白酒主体香成分四大酯的理想比例己酸乙酯:乳酸乙酯:乙酸乙酯=1:(0.6~0.8):(0.5~0.6)、己酸乙酯:丁酸乙酯≤1:0.1[3,26],重蒸馏酒保持了窖香浓郁、绵甜净爽的特点[27-29]。传统浓香型白酒典型的风格特征的形成,与使用偏高温大曲为糖化发酵剂、泥窖固态发酵、续糟配料、混蒸混烧、固态蒸馏等独特的酿造工艺密不可分[8,30-31]

    表  4  酒样中主要微量成分含量的比较
    Table  4.  The content of main trace ingredients in Chinese liquor
    微量成分基酒(g/L)重蒸馏酒(g/L)贮存2年的基酒(g/L)
    杂醇油含量2.320±0.010a0.820±0.010c1.075±0.098b
    己酸乙酯2.811±0.477a1.726±0.028b2.107±0.012b
    乳酸乙酯1.957±0.173a1.292±0.028c1.492±0.014b
    乙酸乙酯1.940±0.152a0.938±0.006c1.167±0.028b
    丁酸乙酯0.165±0.033a0.071±0.0003b0.088±0.015b
    戊酸乙酯0.059±0.020a0.042±0.002a0.043±0.001a
    乙醛0.105±0.009b0.073±0.016b0.392±0.087a
    乙缩醛0.154±0.033b0.079±0.0001c0.295±0.006a
    乙酸0.973±0.059a1.019±0.151a0.963±0.197a
    丙酸0.021±0.002a0.018±0.010a0.0143±0.006a
    异丁酸0.014±0.002b0.032±0.008a0.009±0.0005b
    正丁酸0.132±0.005a0.094±0.015b0.006±0.0003c
    异戊酸0.018±0.0006b0.100±0.009a0.023±0.002b
    正戊酸0.024±0.000b0.022±0.002b0.030±0.0001a
    正己酸0.329±0.010a0.315±0.004ab0.299±0.006b
    正庚酸0.006±0.0006a0.004±0.005a0.010±0.003a
    同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
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    表5可知,基酒经重蒸馏后的各分段酒质优劣依次为:重蒸馏酒液>初馏组分酒液>中馏组分酒液>存留组分酒液;与基酒相比,经过重蒸馏处理后的混合组分酒液的口味有所提升,对浓香型主体风格无影响。

    表  5  重蒸馏酒样感官评价
    Table  5.  Sensory evaluation of multiple distillation samples
    酒样感官评价
    色泽香气口味风格
    基酒无色,清亮透明具有己酸乙酯为主体复合香气,
    有稍浓的刺鼻气味
    入口辛辣,刺喉稍涩,有一定邪杂味具有本品一般风格
    初馏组分酒液无色,清亮透明具有己酸乙酯为主体复合香气,
    有稍浓的刺鼻气味
    入口平顺,较绵甜爽净,有较轻的邪杂味具有本品一般风格
    中馏组分酒液无色,清亮透明己酸乙酯为主体复合香气稍淡,
    有稍淡的刺鼻气味
    入口平淡,无明显的邪杂味具有本品一般风格
    存留组分酒液乳白色,浑浊己酸乙酯香气不明显,
    带有其它不愉快气味
    入口苦涩,有明显杂醇油味不具有本品风格
    重蒸馏酒液无色,清亮透明具有己酸乙酯为主体复合香气,
    有稍淡的刺鼻气味
    入口平顺,香味较协调,较绵甜爽净,
    无明显邪杂味
    具有本品一般风格
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    以浓香型基酒为原料,将杂醇油分离效率作为评价指标,通过响应面试验优化了重蒸馏分离浓香型基酒中杂醇油的工艺,试验结果获得的最佳工艺条件为:重蒸馏温度85.5 ℃,重蒸馏时间92.7 min,重蒸馏压力0.16 MPa,在此条件下,杂醇油分离效率可达89.31%。重蒸馏后的基酒,从微量成分分析和感观评价结果来看,能显著降低新酒中杂醇油的含量,己酸乙酯、乳酸乙酯、乙酸乙酯、丁酸乙酯的四大酯比例均在理想范围内,酒的风格保持不变而口感质量有所提升。利用重蒸馏技术能改善新酒品质,为快速实现基酒老熟提供了新的技术支撑。

  • 图  1   重蒸馏工艺流程

    Figure  1.   The second distillation process flow

    图  2   各试验因素交互作用对杂醇油分离效率影响

    Figure  2.   Effect of interaction of various experimental factors on separation efficiency of fusel oi

    表  1   Box-Behnken 设计因素及水平

    Table  1   Factors and level of Box-Behnken design

    水平因素
    A 重蒸馏温度(℃)B 重蒸馏时间(min)C 重蒸馏压力(MPa)
    −180800.10
    0851000.15
    1901200.20
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    表  2   响应面试验方案及结果

    Table  2   Design and results of response surface test

    试验号A
    重蒸馏温度
    B
    重蒸馏时间
    C
    重蒸馏压力
    Y 响应值
    分离效率(%)
    100089.02
    200088.87
    3−1−1086.75
    410−181.20
    510187.12
    60−1−184.39
    7−11085.90
    80−1187.22
    900089.69
    10−10−183.41
    111−1087.47
    1200088.82
    13−10185.22
    1411085.81
    1500089.13
    1601−183.88
    1701186.61
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    表  3   回归模型的方差分析

    Table  3   Variance analysis of regression model

    方差来源平方和自由度均方FP
    模型86.3699.6047.07<0.0001**
    A重蒸馏温度0.01310.0130.0630.8093
    B重蒸馏时间1.6511.658.080.0250*
    C重蒸馏压力22.08122.08108.29<0.0001**
    AB0.1610.160.800.3995
    AC4.2214.2220.710.0026**
    BC2.500E-00312.500E-0030.0120.9149
    A216.10116.1078.98<0.0001**
    B21.8811.889.220.0190*
    C235.73135.73175.25<0.0001**
    残差1.4370.20
    失拟项0.9430.312.580.1913
    纯误差0.4940.12
    总和87.7916
    注:*为差异显著,P<0.05;**为差异极显著,P<0.01。
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    表  4   酒样中主要微量成分含量的比较

    Table  4   The content of main trace ingredients in Chinese liquor

    微量成分基酒(g/L)重蒸馏酒(g/L)贮存2年的基酒(g/L)
    杂醇油含量2.320±0.010a0.820±0.010c1.075±0.098b
    己酸乙酯2.811±0.477a1.726±0.028b2.107±0.012b
    乳酸乙酯1.957±0.173a1.292±0.028c1.492±0.014b
    乙酸乙酯1.940±0.152a0.938±0.006c1.167±0.028b
    丁酸乙酯0.165±0.033a0.071±0.0003b0.088±0.015b
    戊酸乙酯0.059±0.020a0.042±0.002a0.043±0.001a
    乙醛0.105±0.009b0.073±0.016b0.392±0.087a
    乙缩醛0.154±0.033b0.079±0.0001c0.295±0.006a
    乙酸0.973±0.059a1.019±0.151a0.963±0.197a
    丙酸0.021±0.002a0.018±0.010a0.0143±0.006a
    异丁酸0.014±0.002b0.032±0.008a0.009±0.0005b
    正丁酸0.132±0.005a0.094±0.015b0.006±0.0003c
    异戊酸0.018±0.0006b0.100±0.009a0.023±0.002b
    正戊酸0.024±0.000b0.022±0.002b0.030±0.0001a
    正己酸0.329±0.010a0.315±0.004ab0.299±0.006b
    正庚酸0.006±0.0006a0.004±0.005a0.010±0.003a
    同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。
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    表  5   重蒸馏酒样感官评价

    Table  5   Sensory evaluation of multiple distillation samples

    酒样感官评价
    色泽香气口味风格
    基酒无色,清亮透明具有己酸乙酯为主体复合香气,
    有稍浓的刺鼻气味
    入口辛辣,刺喉稍涩,有一定邪杂味具有本品一般风格
    初馏组分酒液无色,清亮透明具有己酸乙酯为主体复合香气,
    有稍浓的刺鼻气味
    入口平顺,较绵甜爽净,有较轻的邪杂味具有本品一般风格
    中馏组分酒液无色,清亮透明己酸乙酯为主体复合香气稍淡,
    有稍淡的刺鼻气味
    入口平淡,无明显的邪杂味具有本品一般风格
    存留组分酒液乳白色,浑浊己酸乙酯香气不明显,
    带有其它不愉快气味
    入口苦涩,有明显杂醇油味不具有本品风格
    重蒸馏酒液无色,清亮透明具有己酸乙酯为主体复合香气,
    有稍淡的刺鼻气味
    入口平顺,香味较协调,较绵甜爽净,
    无明显邪杂味
    具有本品一般风格
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-11
  • 网络出版日期:  2022-02-09
  • 刊出日期:  2022-03-31

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