主成分分析法优选枸杞乳酸菌发酵饮品发酵剂

黄宁馨，丁士勇，刘 睿,2，鲁 群，朱和平

主成分分析法优选枸杞乳酸菌发酵饮品发酵剂

黄宁馨1，丁士勇1，刘 睿1,2※，鲁 群1，朱和平3

（1. 华中农业大学食品科技学院，环境食品学教育部重点实验室，武汉 430070；2. 农业农村部华中都市农业重点实验室，武汉 430070；3. 湖北枸杞珍酒业有限公司，恩施土家族苗族自治州 445300）

乳酸菌发酵作为果蔬汁的一种绿色加工技术，不仅可以赋予产品独特的风味，还可以转化其中的活性物质，提高产品的营养价值和保健功效。该研究以湖北杂交枸杞为原料，使用6种乳酸菌（植物乳杆菌、嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、干酪乳杆菌及发酵乳杆菌）进行发酵，研究发酵前后枸杞果汁理化特性、主要活性成分及体外抗氧化变化，并利用主成分分析进行综合评价优选出理想的发酵菌株。结果表明，6种乳酸菌在枸杞果汁中生长良好，活菌数均能达到10.0 lg CFU/mL以上。发酵后的枸杞果汁中总糖和还原糖含量显著降低（<0.05），且植物乳杆菌和嗜热链球菌产酸能力更强，发酵后总酸含量达6.74、6.07 g/kg。与未发酵枸杞果汁相比，经植物乳杆菌、嗜热链球菌、鼠李糖乳杆菌和发酵乳杆菌发酵的枸杞果汁中总酚含量增加了13.76%～28.07%，而嗜酸乳杆菌和干酪乳杆菌发酵后无显著性差异（>0.05）。6种乳酸菌发酵后枸杞果汁中总黄酮含量增加了55.80%～161.97%。发酵枸杞果汁的抗氧化活性与发酵前相比均有显著提高（<0.05）。基于主成分分析的综合评价函数显示经植物乳杆菌、发酵乳杆菌发酵的枸杞果汁品质更优，适宜作为开发枸杞高值化绿色加工饮品的发酵剂。

菌；发酵；主成分分析；乳酸菌；湖北杂交枸杞

0 引 言

枸杞是中国传统的药食同源植物，其果实为鲜亮的椭球状浆果，含有多种功能成分，具有抗衰老、免疫调节、抗动脉粥样硬化等多种功能活性[1]。湖北杂交枸杞是以宁夏栽培枸杞诱导加倍，再与湖北当地野生枸杞杂交后成功选育出的品种，改变了宁夏枸杞直接引种江汉平原不耐渍、不耐湿、发生严重根腐、黑果的问题，后被引种到建始县[2]。目前湖北杂交枸杞在建始县种植面积已达467 hm2，可年产鲜果超1 000 t，成为当地脱贫攻坚和乡村振兴的重要产业之一。但湖北杂交枸杞由于水分含量高达90%以上，前期研究发现其难以加工成传统干制品枸杞子[3]，因此亟需开发新型枸杞加工产品，以提高湖北杂交枸杞的附加值，避免果农丰产不丰收现象的发生。

乳酸菌发酵作为一种绿色果蔬加工方式，不仅可以赋予果蔬汁产品独特的风味，还可以转化基质中的营养物质，提高产品生物活性，具有广阔的市场前景[4-6]。有研究发现苦瓜汁经植物乳杆菌发酵后有机酸、总酚含量增加，而且抗氧化活性增强[7]；柠檬汁经植物乳杆菌发酵后抗氧化活性和抑菌活性也明显增强[8]。国内外也已有部分学者关注乳酸菌发酵枸杞汁饮料的相关研究，汪云阳等[9]以感官评分为指标，确定了植物乳杆菌发酵枸杞汁的最优发酵工艺参数。乔博鑫等[10]对保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌复合发酵枸杞汁的工艺条件进行了优化。此外，还有研究发现使用乳酸菌与芽孢杆菌复合发酵可以增加枸杞汁中酚类物质和挥发性成分含量，增强其抗氧化活性[11]。但是不同的乳酸菌在枸杞果汁中的生长与发酵性能不同，对外界环境的抵抗能力和对果汁营养成分及活性的影响也有较大差异，而目前国内外有关不同乳酸菌发酵的枸杞果汁品质评价体系尚未见报道。

主成分分析法是一种采用降维的思想，利用较少的综合指标代替原先的较多的变量，使复杂的信息简单化的分析方法，可以对指标进行简化，降低人为因素干扰，目前已广泛应用于果蔬产品的品质评价[12-13]。近年来有研究者将主成分分析应用于果蔬发酵产品的菌株筛选中，Michalak等[14]对10种乳酸菌发酵羽衣甘蓝汁的理化及功能特性进行主成分分析，经综合评价筛选出3种乳酸菌作为羽衣甘蓝汁发酵菌株；辛明等[15]采用主成分分析和聚类分析对11种不同酵母菌株酿造的冬瓜酒品质评价，确定了羟基自由基清除率、氧自由基清除率、浊度等指标为评价冬瓜酒品质的主要指标，筛选出BV818酵母、F45酵母为冬瓜酒加工的更优菌种。

本研究以湖北杂交枸杞为原料，利用6种不同乳酸菌进行发酵，分析发酵前后理化品质、活性成分及抗氧化活性等12项指标，并基于主成分分析对其品质进行综合评价，筛选出适合开发湖北杂交枸杞乳酸菌发酵饮品的乳酸菌发酵剂，以进一步提高湖北杂交枸杞深加工产品的营养保健作用，为建始县枸杞的高值化绿色加工提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料与主要试剂

湖北杂交枸杞，湖北枸杞珍酒业有限公司；植物乳杆菌（，Lp90）、嗜酸乳杆菌（，LA85）、干酪乳杆菌（，LC89）、鼠李糖乳杆菌（，LRa05）、发酵乳杆菌（，LF61）来自江苏微康生物科技有限公司；嗜热链球菌（，ATCC 19987）为实验室保藏；MRS培养基（Man Rogosa Sharpe Medium，MRS）和LB肉汤培养基（Luria-Bertani Broth，LB）购自青岛海博生物公司；福林酚、芦丁、Trolox（维生素E衍生物）及1,1-二苯基苦基苯肼（1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl，DPPH）购自上海源叶生物科技有限公司；白砂糖为食品级；其他试剂均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

立式压力蒸汽灭菌锅，上海博讯实业有限公司医疗设备厂；pHi510 pH计，美国贝克曼公司；UV-Vis 分光光度计，日本SHIMADZU公司；电子天平，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；数显恒温水浴锅，国华电器有限公司；搅拌机，飞利浦飞利浦家庭电器（珠海）有限公司；低温高速离心机，美国贝克曼公司；全波长酶标仪，美国Thermo Fisher公司；HTX多功能酶标仪，美国伯腾仪器有限公司；HPY300恒温培养箱，武汉海声达仪器设备有限公司；5W-EF-2FD无菌操作台，国华电器有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 枸杞乳酸菌发酵果汁制备工艺流程

将冷冻的枸杞鲜果自然解冻后，挑选饱满、无腐烂的鲜果，清洗，与水1:3（质量/体积）混合打汁、破碎，添加3%糖，经90 ℃，15 min灭菌，冷却至室温，得到未发酵枸杞汁。将6种乳酸菌菌粉分别接种到灭菌后的MRS液体培养基，37 ℃培养24 h，活化2代后以5 000 r/min 条件下离心15 min，使用无菌生理盐水清洗3次后，与无菌生理盐水混合得到菌悬液，分别以3%接种量接种到未发酵枸杞汁中，接种后菌浓度为（8.0±0.4）lg CFU/mL，37 ℃发酵48 h。

1.3.2 枸杞乳酸菌发酵果汁的理化指标测定

活菌数：采用平板稀释法，参考《食品微生物学检验乳酸菌检验GB 4789.35-2016》[16]；pH值：采用pH酸度计测定；总酸：参照《食品中总酸的测定GB/T 12456-2008》，以乳酸计量[17]；总糖和还原糖：采用3,5-二硝基水杨酸比色法（3,5-Dinitrosalicylic acid，DNS）测定[18]；可溶性蛋白质：采用考马斯亮蓝G-250法测定。

1.3.3 枸杞乳酸菌发酵果汁的主要活性成分测定

总酚含量采用福林酚法进行测定，结果以没食子酸当量表示[19]；总黄酮采用硝酸铝比色法测定，结果以芦丁当量表示[19]；多糖经水提醇沉后使用苯酚硫酸法测定[20]。

1.3.4 枸杞乳酸菌发酵果汁的体外抗氧化活性测定

1）DPPH自由基清除活性的测定

方法[21]，吸取50L样品溶液，加入0.2 mmol/L DPPH乙醇溶液150L，室温避光反应30 min，于517 nm处测定吸光值。用超纯水代替样品作为空白对照，用水代替DPPH作为样品对照，清除率按照式（1）计算。

2）总还原力的测定

参考文献方法[22]，在离心管中加入500L 0.2 mmol/L pH值6.6的磷酸盐缓冲液和一定浓度的样品溶液200L，再加入1%铁氰化钾500L，于50 ℃水浴中加热反应20 min，冷至室温后加入10%三氯乙酸500L，5 000 r/min离心10 min，取上清液500L加入蒸馏水500L 和0.1%三氯化铁溶液100L，混匀静置10 min，于700 nm处测定吸光度值1，空白对照用蒸馏水代替样品测定吸光值0。1−0越大说明Fe3+总还原能力越强，样品的总还原能力越强。

3）氧自由基吸收能力（Oxygen Free Radical Absorption Capacity，ORAC）的测定

参照文献方法[23]，并作适当修改。用75 mmol/L磷酸盐缓冲溶液依次配制200、100、50、12.5、6.25M的Trolox标准溶液，向全黑 96 孔板中加入25L上述各浓度溶液，同时设置对照组和空白，再加入150L的荧光素钠溶液，于37 ℃下温育10 min，最后向板中加入153 mmol/L AAPH 溶液50L，在激发波长485 nm，发射波长528 nm测定荧光强度，每分钟测定1次，测定120 min。以Trolox浓度为横坐标，荧光衰退净面积net AUC为纵坐标，绘制ORAC（Oxygen Radical Absorption Capacity）标准曲线。取稀释一定倍数的样品溶液进行上述试验方法计算AUC，计算方法如式（2），代入标准曲线，ORAC值以Trolox当量表示。

式中AUC为荧光衰退面积；1为第1次荧光读数值；n为第次荧光读数值

1.3.5 数据统计分析

试验设置3次平行。使用Excel 2016和GraphPad Prism 8.0软件对试验数据进行统计与制图，使用SPSS 26.0进行数据相关性分析。由于不同指标的量纲不统一，在进行数据分析之前，进行了数据标准化处理，标准化方法为每一变量值与其平均值之差除以该变量的标准差。使用SPSS 26.0对标准化后的品质指标进行因子分析，以各主成分对应的方差相对贡献率为权重，对主成分得分和相应的权重进行线性加权求和构建发酵枸杞汁品质的评价函数。

2 结果与讨论

2.1 不同菌株对枸杞果汁发酵后理化特性的影响

不同乳酸菌对枸杞果汁理化特性的影响如表1所示。发酵48 h后，6种乳酸菌在枸杞汁中均能达到10.0 lg CFU/mL以上，表明枸杞果汁中营养充足，适合乳酸菌生长。在发酵过程中，乳酸菌利用果汁中的糖类作为碳源产酸，经发酵后，总糖含量降低了27.1%～59.7%，还原糖含量降低了14.2%～56.6%。植物乳杆菌和嗜热链球菌在枸杞果汁中具有更高的产酸能力，发酵后总酸质量分数达6.74、6.07 g/kg。不同乳酸菌发酵的枸杞果汁可溶性蛋白含量具有差异，除干酪乳杆菌外，其他乳酸菌发酵枸杞果汁可溶性蛋白增加，这可能是由于枸杞果汁中的蛋白质被分解成多肽和一些有一定空间结构但分子质量较小的蛋白质，增加了其溶解性，从而提高了可溶性蛋白含量[11]。

表1 不同菌株对枸杞果汁理化特性的影响

注：a、b、c 表示同列不同种类间的显著性差异（<0.05）。下同。

Note: Data with different superscript letters in the same column different types were significantly different (<0.05). The same below.

2.2 不同菌株发酵对枸杞果汁活性成分的影响

枸杞果汁主要活性成分经不同乳酸菌发酵前后的变化如图1所示，植物乳杆菌、嗜热链球菌、鼠李糖乳杆菌和发酵乳杆菌发酵后总酚含量增加了13.76%～28.07%，而嗜酸乳杆菌和干酪乳杆菌发酵后无显著性差异（0.05）。经乳酸菌发酵后，枸杞果汁的总黄酮含量增加了55.80%～161.97%。许多研究表明发酵可以增加果汁中总酚和总黄酮的含量[24-25]，但不同菌株发酵导致果汁中总酚和总黄酮含量的变化具有一定的差异，Kwaw等[26]使用植物乳杆菌、嗜酸乳杆菌和副干酪乳杆菌发酵桑葚汁后总酚和总黄酮含量都显著增加，且植物乳杆菌发酵桑葚果汁中总酚含量显著高于其他两种乳酸菌；赖婷等[27]比较嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌等7种不同乳酸菌对桂圆浆品质的影响，植物乳杆菌提高桂圆肉游离态酚类物质含量和释放结合态酚类物质的能力要明显优于其他乳酸菌种。在本研究中，和其他乳酸菌相比，植物乳杆菌也使得产品中具有更高的总酚和总黄酮含量，这可能是因为它能够在发酵过程中会产生多种酶，使糖苷键和酯键等分解，释放出可溶或不溶的结合酚类化合物[28]。

经发酵后，植物乳杆菌、嗜热链球菌、嗜酸乳杆菌和鼠李糖乳杆菌作为菌种的果汁中多糖含量显著降低（<0.05），在发酵过程中，他们利用枸杞多糖作为碳源或产生的酶将其降解，生成了小分子物质，致使多糖含量降低；而干酪乳杆菌和发酵乳杆菌为菌种的枸杞果汁经发酵后多糖含量显著增加（<0.05），这可能与乳酸菌在生长代谢过程中产胞外多糖有关[29]。

2.3 不同菌株发酵对枸杞果汁抗氧化活性的影响

枸杞果汁经不同乳酸菌发酵前后的抗氧化活性的变化如图2所示，DPPH自由基清除率和总还原力是一种基于电子转移实现清除自由基的方法，而ORAC方法的原理是通过抑制氢转移反应过程终止自由基链式反应，因此这两类方法可以从不同机制评价枸杞果汁发酵后的抗氧化能力[30]。由图可知，除干酪乳杆菌外，枸杞果汁经发酵后的DPPH自由基清除能力和总还原能力显著增加（<0.05），ORAC法显示植物乳杆菌、干酪乳杆菌及发酵乳杆菌发酵的枸杞果汁具有更高的抗氧化活性。果蔬汁抗氧化活性的主要贡献之一是其酚类化合物的含量，乳酸菌能够通过酚酸脱羧酶、糖基水解酶或酯酶等将酚类化合物转化为生物活性衍生物，从而具有更高的抗氧化活性[31]，如植物乳杆菌发酵樱桃汁后出现原儿茶酸向儿茶酚以及咖啡酸向二氢咖啡酸的生物转化[32]。此外，乳酸菌自身具有的一定的抗氧化活性，可产生超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、硫醇类等活性抗氧化性物质[33]，对发酵产品的抗氧化活性有一定的贡献。

抗氧化能力评价指标与发酵枸杞果汁主要活性成分（总黄酮、总酚、多糖）的相关系数如表2所示。在本研究中，DPPH自由基清除活性与总酚和总黄酮含量极显著相关（<0.01）；总还原能力与总酚含量显著相关（<0.05），与总黄酮含量极显著正相关（<0.01），而多糖与总还原力及ORAC活性均无显著相关性，这可能与部分菌株发酵枸杞果汁后多糖含量显著降低有关。

表2 发酵枸杞果汁的抗氧化能力和主要活性成分的相关系数

注：**表示在<0.01水平上，极显著相关；*表示在<0.05水平上，显著相关。

Note: ** and * are extremely significant or significant at 0.01 and 0.05 level, respectively.

2.4 基于主成分分析筛选最适枸杞果汁发酵的菌株

本研究利用SPSS 26.0对未经发酵枸杞果汁和分别经6种不同乳酸菌发酵的枸杞果汁的活菌数、pH值、总酸、可溶性蛋白、还原糖、总糖、总酚、总黄酮、多糖、DPPH、总还原力、ORAC共12项指标进行了主成分分析，结果见表3。由表3可知，前3个主成分的累积贡献率已达到82.344%，符合主成分分析法贡献率累加和>80%的要求，因此对于其主成分而言，发酵枸杞果汁品质只需3个主成分便可以表现出12种指标。

因每个主成分都是原始变量的线性组合，组合中各变量对主成分的影响可用载荷表示，载荷绝对值越大，其影响越大。由表4可知，活菌数、pH值、总酸、总糖和还原糖是影响主成分1的主要特征向量，可溶性蛋白、总酚和总黄酮是影响主成分2的主要特征向量，当可溶性蛋白、总酚和总黄酮含量高时，第2主成分较大，多糖和ORAC是影响主成分3的主要特征向量，当多糖含量和ORAC活性较高时，第3主成分较大。第1主成分反映发酵枸杞果汁的理化特性，也在一定程度上反映了果汁的滋味特性，第2和第3主成分主要反映了发酵枸杞果汁的营养特性和抗氧化能力。

根据表3中的特征值和表4中各指标的主成分载荷，可以分别得到3个主成分的函数表达式1、2和3：

1=0.2721+0.122−0.2123−0.1654−0.2885−

0.346−0.0517+0.0018+0.0029−0.10910−

0.10111+0.00812（3）

2=−0.0921+0.0822+0.0223+0.334+0.1535+

0.1846+0.2317+0.1918−0.0679+0.23310+

0.24511+0.10612（4）

3=−0.0121+0.0372−0.0563−0.0344+0.235−

0.1176−0.017+0.0458+0.4759−0.24410+

0.22911+0.44812（5）

式中1～12分别表示活菌数、pH值、总酸、可溶性蛋白、还原糖、总糖、总酚、总黄酮、多糖、DPPH清除活性、总还原力、ORAC值。将3个主成分以及各主成分对应的方差贡献率作为权重，得到综合评价函数：=0.351+0.342+0.143，结果见表5。从表5可知，综合得分值前二的是植物乳杆菌、发酵乳杆菌，这些菌种发酵的枸杞果汁综合品质性状更优良。

表3 主成分的特征值及贡献率

表4 不同菌株发酵枸杞果汁品质载荷矩阵

表5 综合得分和排名

3 结 论

枸杞果汁乳酸菌发酵饮品开发的关键点之一是菌株的筛选，不同乳酸菌菌株在果汁中的生长与发酵性能不同，对果汁的营养成分及活性的影响也不相同。研究结果表明枸杞果汁经6种不同乳酸菌发酵后理化指标、营养成分及抗氧化活性均发生了显著的变化。其中，植物乳杆菌和嗜热链球菌产酸最多，达6.74、6.07 g/kg，总糖和还原糖含量显著降低（<0.0.5）；使用植物乳杆菌、嗜热链球菌、鼠李糖乳杆菌和发酵乳杆菌发酵的枸杞果汁中总酚含量增加了13.76%～28.07%，而嗜酸乳杆菌和干酪乳杆菌发酵后无显著性差异（>0.05）。6种乳酸菌发酵后枸杞果汁中总黄酮含量增加了55.80%～161.97%。此外，干酪乳杆菌和发酵乳杆菌发酵使枸杞果汁中多糖含量显著增加（<0.0.5）。乳酸菌发酵可显著提高枸杞果汁的DPPH自由基清除率、总还原力和ORAC活性，相关性分析结果表明抗氧化活性与总酚和总黄酮显著相关（<0.0.5）。

本研究采用主成分分析法对不同菌种发酵的枸杞发酵汁品质进行了综合评价，以活菌数、pH值、总糖、还原糖、可溶性蛋白、总酚、多糖、ORAC活性为评价主要指标，这些指标涵盖了发酵力、营养品质、功能性3个层面，综合反映了发酵枸杞果汁的品质，6种乳酸菌菌种发酵对枸杞发酵汁的综合品质影响从高到低的排序为：植物乳杆菌、发酵乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、嗜热链球菌、干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌，其中植物乳杆菌和发酵乳杆菌可以作为枸杞发酵乳酸菌饮品开发的优选菌株。本研究为乳酸菌发酵枸杞果汁产品开发及建始县枸杞的加工利用提供了参考。

[参 考 文 献]

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Optimizing lactic acid bacteria starter culture for wolfberry juice fermentation using principal component analysis

Huang Ningxin1, Ding Shiyong1, Liu Rui1,2※, Lu Qun1, Zhu Heping3

(1.,,,,430070,;2.,430070,; 3..,,445300,)

Wolfberry () is a typical traditional Chinese medicinal and edible fruit, sharing a variety of ingredients and functional activities, such as anti-aging, immune regulation, and anti-atherosclerosis. One of the wolfberry cultivars, Hubei hybrid wolfberry was introduced from the doubled Ningxia wolfberry that crossed with the local wild one in Enshi Prefecture, Jianshi County of Hubei Province in China. A previous study found that this new type of wolfberry was not suitable to process into the conventional dried products, due mainly to higher moisture content, compared with the original Ningxia wolfberry. Therefore, it is highly urgent to develop a new processing approach for the wolfberry products, further improving the conversion rate of Hubei hybrid wolfberry. Alternatively, a characteristic fruit fermentation using lactic acid bacteria can provide a unique flavor product, while transform the types and increase the content of active substances for high nutritional value and health benefits. However, only a few reports were focused on the effects of lactic acid bacteria fermentation on the nutritional quality of wolfberry juice. Taking Hubei hybrid wolfberry as raw material, this study aims to investigate the physicochemical properties, main active components, and antioxidant activityof wolfberry juice before and after lactic acid bacteria fermentation. 6 kinds of lactic acid bacteria were selected (,,,,and) for fermentation. A principal component analysis was utilized to evaluate the quality of fermented wolfberry juice, where the most suitable lactic acid bacteria strain was obtained for wolfberry juice fermentation. The results showed that 6 kinds of lactic acid bacteria grew well in wolfberry juice, where the viable count reached above 10.0 lg CFU/mL. The total contents of sugar and reducing sugar in the juice were significantly reduced (<0.05) after fermentation. A high capacity of acid production was achieved in theand, where the total acid contents were 6.74 and 6.07 g/kg, respectively. The total phenol content in wolfberry juice fermented by,,andincreased by 13.76% to 28.07%, compared with unfermented wolfberry juice. Nevertheless, there was no significant difference in the content of total phenols in the wolfberry juice fermented byand(>0.05). The total flavonoid content increased by 55.80% to 161.97% after fermentation. The antioxidant activities of fermented wolfberry juice were also significantly improved (<0.05). Correlation analysis showed that the increase in antioxidant activity was closely related to the content of total phenols and total flavonoids. Three principal components were extracted in a principal component analysis, covering three levels of fermentability, nutritional quality, and functionality, indicating a higher quality of fermented wolfberry juice. The cumulative variance contribution rate was 82.344%. The comprehensive score ranking demonstrated that the quality of wolfberry juice fermented byandwas better, suitable for a starter for green processed beverages of Hubei hybrid wolfberry.

bacteria; fermentation; principal component analysis; lactic acid bacteria; Hubei hybrid wolfberry

2020-12-19

2021-03-09

中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目批号：2662015PY023）

黄宁馨，研究方向为功能食品与分子营养。Email：657027488@qq.com

刘睿，博士，教授，研究方向为功能食品与分子营养。Email：liurui89634@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.035

TS275.4

A

1002-6819(2021)-07-0286-07

黄宁馨，丁士勇，刘睿，等. 主成分分析法优选枸杞乳酸菌发酵饮品发酵剂[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：286-292. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.035 http://www.tcsae.org

Huang Ningxin, Ding Shiyong, Liu Rui, et al. Optimizing lactic acid bacteria starter culture for wolfberry juice fermentation using principal component analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 286-292. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.035 http://www.tcsae.org