陳中偉 丁 芬 吳其飛 徐 斌(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院;農(nóng)產(chǎn)品加工工程研究院,鎮(zhèn)江 212013)
亞臨界丙烷、超臨界CO2及正己烷對米糠油提取品質(zhì)的對比研究
陳中偉 丁 芬 吳其飛 徐 斌
(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院;農(nóng)產(chǎn)品加工工程研究院,鎮(zhèn)江 212013)
為探索亞臨界丙烷、超臨界CO2及正己烷作為介質(zhì)對米糠油提取品質(zhì)的影響,對比分析了由3種介質(zhì)提取所得米糠油的脂肪酸組成,γ-谷維素和α-生育酚含量,油脂氧化穩(wěn)定性以及油脂顏色等。試驗結(jié)果表明,3種介質(zhì)提取所得米糠油的脂肪酸組成無顯著差異,但γ-谷維素、α-生育酚、葉綠素和類胡蘿卜素的含量有顯著不同,其中亞臨界對這些成分的提取量最高,分別達21.08、0.97、30.4和11.14 mg/g;米糠油的氧化穩(wěn)定性試驗結(jié)果顯示,亞臨界丙烷萃取所得的米糠油在常溫下具有優(yōu)越的穩(wěn)定性,高于超臨界CO2和正己烷提取所得米糠油;而超臨界CO2提取所得米糠油的色澤最淺,感官品質(zhì)較好??傊瑏喤R界丙烷對米糠油有較好的提取率和油脂的氧化穩(wěn)定性,并且較充分保留了米糠油中γ-谷維素、α-生育酚、葉綠素和類胡蘿卜素等生理活性成分,是一種適用于米糠油保質(zhì)萃取的良好介質(zhì)。
米糠油 亞臨界丙烷 超臨界CO2生理活性物質(zhì) 穩(wěn)定性
米糠是我國的一種大宗農(nóng)副產(chǎn)品,年產(chǎn)量達千萬噸,資源豐富。米糠中富含油脂,比例高達15%~22%。研究表明,米糠油的脂肪酸組成適當(dāng),符合世界衛(wèi)生組織推薦的脂肪酸最佳攝入比例。另外,米糠油中還富含γ-谷維素和生育酚等生理活性成分,具有降低血液膽固醇、治療神經(jīng)失衡和更年期障礙以及抗癌等多種功效[1-2]。2010年,世界衛(wèi)生組織將米糠油列為三大最佳食用油之一。由此可見,米糠油是一種具有巨大開發(fā)價值的優(yōu)質(zhì)食用油資源。然而,如何將米糠油更好地保質(zhì)提取是目前面臨的瓶頸。
在傳統(tǒng)油脂浸出工藝中,常用溶劑包括正己烷、甲醇等[3]。雖然利用溶劑提取米糠油具有處理量大,成本低的優(yōu)勢,但所得產(chǎn)品溶劑殘留多,影響產(chǎn)品的品質(zhì)。另外,后續(xù)高溫萃取和脫溶過程會破壞米糠油中的熱敏性物質(zhì),影響產(chǎn)品的營養(yǎng)品質(zhì)。同時,高溫脫溶過程還會帶來廢熱耗散和正己烷排放等環(huán)境問題。另據(jù)報道,溶劑萃取所得的米糠油中蠟和膠的含量較高,增加了精煉負擔(dān)[4]。超臨界流體萃取也常用于油脂的提取,具有廉價、無毒和環(huán)境友好等優(yōu)點,其中,超臨界二氧化碳是最常用的介質(zhì)。主要是通過調(diào)節(jié)超臨界溫度和壓力來控制CO2的密度、黏度和擴散系數(shù)[5],從而實現(xiàn)提高油脂萃取率或萃取選擇性。然而,超臨界萃取壓力高、設(shè)備投入大,限制其工業(yè)化應(yīng)用[6]。
亞臨界流體萃取技術(shù)是一種新型的提取植物油脂及天然產(chǎn)物的技術(shù),是在加壓石油氣、丙烷、丁烷萃取技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。其基本工作原理是利用萃取流體在不同壓力和溫度下的兩相變化,完成油脂萃取和脫溶過程。常用的萃取媒介有丙烷、丁烷、液化石油氣以及二甲醚[7-8]等。作為一種保質(zhì)萃取新技術(shù),亞臨界流體萃取具有產(chǎn)量高、對壓力和溫度要求低、易于工業(yè)化的優(yōu)勢[9],克服了傳統(tǒng)浸出工藝和超臨界流體工藝的缺點。早在 1934年,Rosenthal等[8]就采用液態(tài)丁烷和丙烷混合萃取棉花籽油,其出油率大于97%,且油脂色澤淺、精煉損失少。之后相繼有很多學(xué)者利用亞臨界丙烷提取芫荽籽油、豆蔻油以及辣椒油等油脂[10-15],均證明了亞臨界丙烷比超臨界CO2的油脂溶解能力強,并且具有壓力條件低,提取率高及產(chǎn)品品質(zhì)高等優(yōu)點。然而,利用亞臨界流體萃取米糠油的報道較少。有學(xué)者從萃取條件和經(jīng)濟的角度對比研究了超臨界CO2與加壓丙烷對米糠油萃取的差異[11],但鮮見涉及萃取方式對所得米糠油品質(zhì)的影響研究。
以米糠作為原料,分別采用亞臨界丙烷、超臨界CO2和正己烷3種介質(zhì)對米糠油進行提取,分析對比了3種萃取介質(zhì)對米糠油的提取率和產(chǎn)品品質(zhì)的影響,以期為米糠油的萃取方式的選擇提供借鑒。
1.1 材料與試劑
新鮮米糠:江蘇雙兔米業(yè)有限公司。
α-生育酚(色譜純):美國Sigma公司;棕櫚酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亞油酸甲酯、亞麻酸甲酯標準品(色譜純):Supelco公司;γ-谷維素:化成工業(yè)發(fā)展(上海)有限公司;正己烷、異丙醇(色譜純),環(huán)己烷等試劑(分析純):國藥集團化學(xué)試劑有限公司。
1.2 試驗設(shè)備
亞臨界流體萃取設(shè)備:自制;HA121-50-01型超臨界CO2設(shè)備:南通華安超臨界萃取有限公司;HKJ-25造粒機:無錫華牧機械有限公司;5890型氣相色譜儀:美國惠普公司;LC-20A型HPLC色譜儀:日本島津公司;892-Rancimat油脂氧化穩(wěn)定儀,Color Quest XE色差儀:美國Hunter Lab公司;BR4冷凍離心機:法國JOUAN公司;DHG-9245A型鼓風(fēng)干燥箱:上海一恒科技有限公司;HH-S型數(shù)顯恒溫水浴鍋:金壇市富華儀器有限公司;RE-52A型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀:上海亞榮生化儀器廠;XH-C型旋渦混合器、85-2A型恒溫磁力攪拌器:江蘇金壇醫(yī)療儀器廠。
1.3 試驗方法
1.3.1 原料預(yù)處理
采用制粒機將新鮮的米糠制成半徑為2.5 mm的圓柱形顆粒;采用自制的微波穩(wěn)定化設(shè)備處理制粒后的米糠,從而降低米糠水分含量并抑制其內(nèi)源酶的活性。微波處理條件的選擇參考前期研究結(jié)果[12],即功率4 kW、時間8 min、通風(fēng)量60 m3/h、處理速率20 kg/h。經(jīng)處理后,米糠顆粒的含水量約為8%。將穩(wěn)定后的米糠顆粒置于-20℃冰箱中貯藏備用。
1.3.2 不同介質(zhì)對米糠油的提取方法
分別采用亞臨界丙烷、正己烷和超臨界CO23種介質(zhì)對米糠中的油脂進行萃取。所得萃取物經(jīng)5 000 r/min離心15 min后,取上層澄清油脂作為待測樣品貯藏至4℃冰箱中備用。
1.3.2.1 亞臨界丙烷萃取
采用自制的亞臨界流體萃取設(shè)備(見圖1)提取米糠油[13],工藝參數(shù)參照Xu等[14]的研究。具體步驟:準確稱量300.0 g米糠顆粒裝入200目尼龍紗布袋中并置于萃取罐1內(nèi)。設(shè)置萃取壓力和溫度分別為0.9 MPa和45℃、料液比1∶3、萃取時間0.5 h,間歇萃取3次。經(jīng)減壓脫溶(-0.1 MPa)后,從萃取罐和分離罐中分別得到萃余物和米糠油樣品。
圖1 亞臨界流體萃取試驗系統(tǒng)示意圖和設(shè)備圖
1.3.2.2 正己烷溶劑萃取
參照ISO 734-1:2006的方法,采用一次抽提的方法進行提取。精確稱量10.0 g米糠顆粒于索氏抽提器中,以正己烷為溶劑,采用常壓索氏抽提法,在69℃條件下抽提4 h,獲得油脂和溶劑混合物。然后,在45℃下減壓脫溶(-0.09 MPa)1 h獲得米糠油。稱量萃余物質(zhì)量,并計算油脂的提取率。
1.3.2.3 超臨界CO2萃取
采用HA121-50-01型超臨界流體萃取試驗設(shè)備萃取米糠油。精確稱量300.0 g米糠顆粒裝入200目尼龍紗袋中,并置于萃取料筒中,密封后調(diào)節(jié)控制開關(guān)進行萃取。參考Sparks方法[11],并稍作改動。設(shè)置萃取溫度和壓力分別為45℃和35 MPa,萃取時間為2 h,流速為2.95 kg/h,分離釜壓力和溫度分別為5 MPa和45℃。當(dāng)萃取完成后,取出尼龍沙袋并稱量萃余物的質(zhì)量,減量法計算超臨界CO2對米糠油的萃取得率。
1.3.3 米糠油品質(zhì)的分析
主要分析了亞臨界丙烷、超臨界CO2和正己烷3種介質(zhì)提取所得米糠油的脂肪酸組成、活性成分含量(γ-谷維素、VE、葉綠素、類胡蘿卜素)、氧化穩(wěn)定性及色澤等。
1.3.3.1 米糠油的脂肪酸組成測定方法
采用氣相色譜法對米糠油的脂肪酸組成進行分析。參考AOCS:996.01中的方法對米糠油進行甲酯化處理,具體步驟為:取0.10 g米糠油,加入被0.5 mol/L的NaOH-甲醇溶液中,在14%的BF3/MeOH溶液催化作用下甲酯化。然后,采用惠普5890型氣相色譜儀對脂肪酸進行分析。采用HP-INNOWax毛細管柱(30 m×0.25 mm,膜厚度為0.25 μm)和火焰離子化檢測器。色譜條件:進樣口溫度為250℃,檢測器溫度260℃;載氣/N2流速1 mL/min,氫氣流速40 mL/min,空氣流速400 mL/min;程序升溫:起始溫度為180℃(保持4 min),升溫速度3℃/min,終點溫度240℃,保持15 min;進樣量為1 μL,分流比40∶1。通過對比樣品和脂肪酸標準品在圖譜中保留時間來分析樣品的脂肪酸組成,采用歸一法計算脂肪酸比例。每個樣品均重復(fù)測定2次,計算平均值。
1.3.3.2 γ-谷維素及VE含量的測定方法
稱取0.2 g油樣至10 mL容量瓶中,用正己烷定容至刻度。利用0.45 μm微孔濾膜過濾后進行HPLC分析。HPLC色譜儀型號及色譜條件:島津LC -20A型HPLC色譜儀,PDA檢測器,色譜柱為Zorbax RX-SIL(5 μm,4.6 mm×250 mm)。色譜條件:檢測波長 325 nm;流動相∶正己烷、異丙醇 = 98.5∶1.5(V/V);柱溫為27℃;流速為1.0 mL/min;進樣量為20 μL。配制系列不同濃度的γ-谷維素標準溶液,并繪制標準曲線。根據(jù)回歸的方程計算出樣品中γ-谷維素的總含量。
對于VE含量的測定方法如下,準確稱取1.00 g油樣至10 mL容量瓶中,用正己烷定容至刻度。利用0.45 μm微孔濾膜過濾后進行HPLC分析。HPLC色譜儀的型號、檢測器、色譜柱和流動相條件同谷維素方法。檢測波長為290 nm。配制系列α-生育酚的標準溶液,并繪制標準曲線。根據(jù)回歸的方程計算出樣品中VE的總含量。每個樣品均重復(fù)測定2次,計算平均值。
1.3.3.3 葉綠素和類胡蘿卜素含量的測定方法
參考Minguez等[15]的方法測定米糠油中葉綠素和類胡蘿卜素的含量。具體步驟:準確稱取7.5 g米糠油至25 mL容量瓶中,用環(huán)己烷定容至刻度。分別測定該溶液在670 nm和472 nm處的吸光值,按公式計算類胡蘿卜素和葉綠素的含量。
式中:A和d分別為吸光度值和比色皿厚度;結(jié)果表示為mg目標物/kg油脂。
1.3.3.4 米糠油的氧化穩(wěn)定性測定方法
采用892-Rancimat油脂氧化穩(wěn)定儀測定油脂的誘導(dǎo)時間,表示為氧化穩(wěn)定指數(shù)(OSI)。具體步驟為:精確稱取3.00 g油樣于樣品管中,設(shè)定測定儀的空氣流速為20 L/h,測量池蒸餾水體積60 mL,分別測定樣品在100、110、120和130℃溫度下的誘導(dǎo)時間,采用外推法預(yù)測油樣在25℃(常溫)的貯藏時間。
1.3.3.5 米糠油的色澤分析
采用HunterLab Color Quest XE測色儀測量米糠油的色澤。測量中使用 L*、a*、b*表示色空間。顏色參數(shù)及定義:L*為明度,a*為紅綠色相,b*為黃藍色相。ΔE=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2,以透明的正己烷作為對照溶液。
1.3.4 統(tǒng)計方法
所有的分析除特殊說明外均平行測定3次,利用IBM SPSS Statistics 19軟件計算平均值與標準偏差。
2.1 不同介質(zhì)提取所得米糠油的脂肪酸組成
原料米糠在提取前的基本成分組成及顆粒尺寸見表1,原料脂肪含量為17.4%,由于米糠為新鮮米糠,含水量較高。米糠油的品質(zhì)一定程度上也取決于原料的新鮮度。表2顯示經(jīng)亞臨界丙烷、正己烷、超臨界CO2,3種介質(zhì)提取所得米糠油的脂肪酸組成。3種米糠油主要由棕櫚酸(C16∶0)、油酸(C18∶1)、亞油酸(C18∶2)和亞麻酸(C18∶3)組成;不飽和脂肪酸占總脂肪酸含量的80%以上,多不飽和脂肪和單不飽和脂肪酸所占比例分別為46%和34%,其中,油酸和亞油酸的比例約為34:43。該結(jié)果與Freitas等[16]的研究結(jié)果相近,其結(jié)果表明采用亞臨界丙烷法、超臨界CO2法及正己烷分別提取芝麻、葡萄籽和菜籽中的油脂,所得油脂的脂肪酸組成無顯著影響。由此可見,亞臨界丙烷、正己烷和超臨界CO23種介質(zhì)對提取所得米糠油的脂肪酸組成無顯著影響。
表1 原料米糠提取前的基本成分/g/100 g
表2 3種萃取方法萃取所得米糠油的主要脂肪酸組成/%
2.2 不同介質(zhì)提取所得米糠油中γ-谷維素和VE含量對比研究
3種介質(zhì)提取所得米糠油中的γ-谷維素和VE的含量見表3。亞臨界丙烷所得米糠油中γ-谷維素的含量為21.08 mg/g,分別比正己烷和超臨界CO2提取所得米糠油中含量高出18%和47%。相似地,3種米糠油中VE的含量由高到低依次為:亞臨界丙烷>正己烷>超臨界CO2。
表3 3種萃取方法萃取所得米糠油中γ-谷維素和VE的含量/mg/g
γ-谷維素是米糠油特有的抗氧化活性成分,主要以環(huán)木菠蘿烯醇阿魏酸酯、菜油甾醇阿魏酸酯等單體存在[17]。試驗結(jié)果表明,3種萃取方式對米糠油中γ-谷維素的含量有顯著影響,這可能取決于萃取溶劑的分子擴散能力和傳質(zhì)速度。當(dāng)丙烷以亞臨界流體狀態(tài)存在時,分子的擴散性能增強,傳質(zhì)速度加快,對天然產(chǎn)物中弱極性以及非極性物質(zhì)的滲透性和溶解能力顯著提高。
VE是一種公認的抗氧化的物質(zhì)[18],在米糠油中主要以α/γ生育酚和生育三烯酚為主,其中α-生育酚的含量最高且體內(nèi)抗氧化能力最強[19]。亞臨界丙烷提取所得米糠油中VE的含量高于其他2種萃取方式,這與Shi等[20]對粟糠油中α-生育酚的研究結(jié)果一致。Illés等[21]對比了不同提取方式對辣椒油中生育酚的提取效果。其結(jié)果表明,亞臨界丙烷所得辣椒油中α-生育酚的提取率高于超臨界CO2。
綜上所述,相對于傳統(tǒng)常壓溶劑提取和超臨界CO2工藝,亞臨界丙烷對γ-谷維素的提取具有明顯優(yōu)勢,對VE的提取也有一定的優(yōu)勢。
2.3 不同介質(zhì)提取所得米糠油的氧化穩(wěn)定性對比
不同溫度條件下米糠油的氧化穩(wěn)定指數(shù)(OSI)見圖2。同種萃取方式所得油脂,隨著溫度的升高,其OSI值均呈現(xiàn)遞減趨勢。根據(jù)Q10規(guī)律,油脂氧化反應(yīng)的穩(wěn)定時間t與加速氧化的反應(yīng)溫度T的關(guān)系可用t=A×exp(B×T)來表示。利用該函數(shù)擬合后,3種介質(zhì)提取所得油脂的氧化指數(shù)(指數(shù)坐標)與測定溫度值呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。由關(guān)系式外推出25℃時亞臨界丙烷、正己烷和超臨界CO2所得米糠油的OSI值依次為8 929、3 591、3 977 h。
圖2 亞臨界丙烷、正己烷和超臨界CO2提取所得米糠油的氧化穩(wěn)定性對比
油脂的OSI值越大表示其抗氧化穩(wěn)定性越強,安全貯存時間越久。結(jié)果表明,在常溫條件下(一般為25℃),3種介質(zhì)提取所得米糠油的穩(wěn)定性由大到小順序為:亞臨界丙烷>超臨界CO2>正己烷。由于所得3種油脂的脂肪酸組成無明顯差異,因此,氧化穩(wěn)定的差異可能主要與其所含的抗氧化活性的物質(zhì)含量和種類相關(guān)[22-24],如γ-谷維素、VE、葉綠素和類胡蘿卜素等,其中葉綠素和類胡蘿卜素都與油脂的自氧化和光致氧化機制有關(guān)[25]。由本試驗數(shù)據(jù)可知,由亞臨界丙烷提取所得油脂中γ-谷維素、VE、葉綠素和類胡蘿卜素均最高,這可能也是其氧化穩(wěn)定性最好的原因。另外,正己烷在提取過程中溫度高于其他2種介質(zhì),這也是其氧化穩(wěn)定性較低的原因。總之,以上因素共同決定了亞臨界丙烷提取所得米糠油具有較好的氧化穩(wěn)定性,這與Shi等[23]的研究結(jié)果也是相近的。
2.4 不同提取介質(zhì)所得米糠油中葉綠素和類胡蘿卜素含量
3種萃取介質(zhì)所得米糠油中葉綠素和類胡蘿卜素的含量見圖3。亞臨界丙烷所得米糠油中葉綠素和類胡蘿卜素的含量均遠高于正己烷和超臨界CO2所得米糠油。
圖3 3種萃取方法萃取所得米糠油中葉綠素和類胡蘿卜素的含量
葉綠素和類胡蘿卜素是植物油中的主要色素[26]。與另2種萃取方式相比,亞臨界丙烷能夠從米糠中萃取出更多葉綠素和類胡蘿卜素。這與葉綠素和類胡蘿卜素在亞臨界丙烷中的溶解度高有關(guān)。Hamdan等[27]結(jié)果表明,亞臨界丙烷(5 MPa/25℃)對豆蔻籽油中脂溶性色素葉綠素和β-胡蘿卜素在提取量(10.80、18.6 μg/g)明顯的高于超臨界CO2(4.53、5.8 μg/g)。另外,葉綠素和類胡蘿卜素與油脂自氧化和光致氧化機制有關(guān),這也影響了米糠油氧化穩(wěn)定性;由于葉綠素和類胡蘿卜素含量還與其亮度L*值的大小呈負相關(guān),這也是可能導(dǎo)致米糠油亮度具有明顯差異。
2.5 不同介質(zhì)提取所得米糠油的色澤
3種介質(zhì)提取所得米糠油的色度值如表4所示。亞臨界丙烷提取米糠油與透明溶液的總色差ΔE*為69.68,該色差值大于正己烷萃取米糠油的ΔE*(60.13),但小于超臨界CO2所得米糠油的ΔE*(76.74)。3種米糠油的亮度值L*順序為:亞臨界丙烷<正己烷<超臨界CO2。米糠油的a*值順序為:超臨界CO2<亞臨界丙烷<正己烷,而b*值大小順序依次為超臨界CO2>正己烷>亞臨界丙烷。
表4 3種介質(zhì)提取所得米糠油的色澤比較
然而,亞臨界丙烷所得米糠油的亮度不及超臨界CO2提取所得米糠油。從樣品色澤(見圖4)可以明顯看出,超臨界CO2提取所得米糠油的色澤最鮮亮,為亮黃色;而其他兩種介質(zhì)提取所得米糠油的色澤較深,呈棕褐色。3種米糠油的色澤差異可能與油中的葉綠素和類胡蘿卜素等色素的含量密切有關(guān),這也是后續(xù)研究要解決的主要問題之一。
圖4 3種介質(zhì)提取所得米糠油的色澤對比
本試驗對亞臨界丙烷、超臨界CO2及正己烷3種介質(zhì)提取所得米糠油的品質(zhì)進行了對比研究。結(jié)果表明,3種介質(zhì)提取所得米糠油的脂肪酸組成無顯著性差異;但對γ-谷維素、VE、葉綠素和胡蘿卜素的溶出量有顯著影響。3種介質(zhì)中,亞臨界丙烷對這些生理活性成分的溶出量最高。同時,亞臨界提取所得米糠油在常溫下的氧化穩(wěn)定性也最好,不足的是所得米糠油的色澤較深??傮w而言,亞臨界丙烷作為提取介質(zhì)可較好的保留米糠油中的活性成分,所得產(chǎn)品也具有較好的氧化穩(wěn)定性,是一種適用于米糠油提取介質(zhì)。
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Comparison Research of the Quality of Rice Bran Oil Extracted by Subcritical Propane,Supercritical CO2and Hexane
Chen Zhongwei Ding Fen Wu Qifei Xu Bing
(College of Food and Biological Engineering,Institute of Agriculture Product Process Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013)
To explore effect on extraction quality of rice bran oil when taking subcritical propane(SP),supercritical-CO2(SC-CO2)and hexane as the media.The fatty acid composition,content of γ-oryzanol and α-tocopherol,oxidative stability of the oil,oil color,etc.of rice bran oil extracted by three kinds of media were compared and analyzed in this paper.The results showed that,the fatty acid composition of rice bran oil extracted by three kinds of media was almost the same,but the contents of γ-oryzanol,α-tocopherol,chlorophyll and carotenoid(21.08 mg/g,0.97 mg/g)were significantly different,quantities of extraction for these elements by subcritical propane were the highest(21.08,0.97,30.4 and 11.14 mg/g);Experiment results of oxidation stability of rice bran oil indicated that rice bran oil extracted by subcritical propane under room temperature had superior stability,cast of rice bran oil extracted by ssupercritical CO2was the lightest with better sensory quality.In conclusion,rice bran oil extracted by subcritical propane had better extraction ratio and oil oxidation stability and could fully retained γoryzanol,α-tocopherol,chlorophyll,carotenoid and other physiologically active ingredients,So,subcritical propane was a good medium for extracting high-quality rice bran oil.
rice bran oil,subcritical propane,supercritical CO2,physiological activator,stability
TS224
A
1003-0174(2017)03-0036-07
國家自然科學(xué)基金(31371877),國家博士后基金特別資助(2013T60510),江蘇大學(xué)高級人才引進(15JD G168)
2015-08-05
陳中偉,男,1985年出生,講師,糧油深加工
徐斌,男,1969年出生,教授,糧油深加工