黑加侖漿果微波真空膨化特性

孫井坤，鄭先哲，劉秉欣，沈卉芳，劉成海，陶 巖，李秀偉，張芹芹

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

黑加侖漿果微波真空膨化特性

孫井坤，鄭先哲*，劉秉欣，沈卉芳，劉成海，陶 巖，李秀偉，張芹芹

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為研究滲透脫水后黑加侖漿果的微波真空膨化特性及其工藝參數(shù)確定，文章通過(guò)單因素試驗(yàn)，研究微波功率、真空度、初始含水率及處理量對(duì)黑加侖漿果膨化特性的影響；通過(guò)二次回歸正交試驗(yàn)，分析微波強(qiáng)度、真空度、初始含水率、膨化時(shí)間與黑加侖漿果膨化率的關(guān)系，優(yōu)化工藝參數(shù)。在微波真空條件下，黑加侖整果的體積膨脹過(guò)程有迅速增長(zhǎng)和緩慢增加兩個(gè)階段，符合Exponent rise to maximum函數(shù)規(guī)律，每個(gè)因素對(duì)整果膨脹系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)的綜合作用，決定微波真空膨化黑加侖整果膨化率；各因素對(duì)膨化率影響的主次順序?yàn)榕蚧瘯r(shí)間、真空度、微波強(qiáng)度、初始含水率。研究結(jié)果可為微波真空膨化漿果的工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

微波真空；膨化；黑加侖；膨化特性；參數(shù)優(yōu)化

黑加侖果實(shí)含有較多的熱敏性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)如花青素和維生素C等[1]，鮮果含水率較高，受季節(jié)性限制，易腐爛變質(zhì)不易貯藏，貨架供應(yīng)期縮短[2]，鮮果生食酸味較大，黑加侖漿果主要用于深加工生產(chǎn)[3]。目前市場(chǎng)上大多數(shù)黑加侖制品，如果汁、果酒、果醬等，其加工過(guò)程多是將黑加侖漿果進(jìn)行打漿、破碎或高溫處理，易造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)破壞或流失，而微波真空技術(shù)集合微波干燥的快速、高效、節(jié)能和真空干燥的低溫加熱、保持品質(zhì)、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已作為一種新型加工方式廣泛應(yīng)用于食品及農(nóng)產(chǎn)品深加工。

在微波真空加工過(guò)程中，物料容易出現(xiàn)外觀體積增大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松的膨化現(xiàn)象[4-7]，已經(jīng)應(yīng)用于果蔬脆片加工中[8-13]，如蔓越橘[14]、草莓[15-16]、樹(shù)莓[17]、藍(lán)莓[18]、藍(lán)靛果[19]、黑加侖[20]等。應(yīng)用微波真空干燥技術(shù)對(duì)漿果進(jìn)行整果膨化，生產(chǎn)出一種新型漿果制品，膨化后的制品保持和漿果鮮果相近的形狀、顏色和風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)[21]，有較高的市場(chǎng)潛力。

本文對(duì)滲透脫水后黑加侖整果的微波真空膨化特性進(jìn)行研究，確定其工藝參數(shù)，為微波真空膨化漿果工業(yè)化生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

對(duì)采摘的新鮮黑加侖漿果（由哈爾濱欣躍三莓果業(yè)專業(yè)合作社提供）進(jìn)行去雜、洗凈處理，選擇大小均勻、成熟度一致的黑加侖鮮果，置于冰柜中，采用單體冷凍方式貯藏。

1.2 儀器設(shè)備

微波真空干燥機(jī)（QW-4HV，廣州科威微波有限公司），內(nèi)置旋轉(zhuǎn)吊籃架，微波加工時(shí)，載料盒置放在吊籃架上，隨之垂直旋轉(zhuǎn)，可以降低微波對(duì)物料加熱的不均勻性。電子精密天平（ARRW60，上海奧豪斯公司），電子分析天平（AB204-S，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司），質(zhì)構(gòu)儀（TA-XT plus，英國(guó)SMS公司）。

1.3 方法

1.3.1 單因素試驗(yàn)

取出冷凍的黑加侖漿果，在室溫內(nèi)融化備用。首先對(duì)融凍的黑加侖整果進(jìn)行滲透脫水處理，條件是滲透液蔗糖濃度70±1°Brix，溫度50℃，在水浴鍋內(nèi)進(jìn)行，得到符合試驗(yàn)要求含水率的脫水黑加侖漿果，再進(jìn)行微波真空膨化單因素試驗(yàn)。微波真空膨化的因素及取值：微波功率0.99、1.76*、2.53 kW（所用微波真空干燥機(jī)只有三個(gè)功率水平輸出）；初始含水率為45%、50%、55%*、60%、65%；真空度為25%、40%、55%*、70%、85%；處理量為30、60、90*、120 g。其中帶*的因素水平為實(shí)施某一因素試驗(yàn)時(shí)，其他因素的取值水平。以1 min間隔累加取樣時(shí)間，取出樣品，測(cè)其質(zhì)量和體積，用于計(jì)算含水率和膨化率，再放入新樣品，直至膨化至樣品的含水率為10%對(duì)應(yīng)的質(zhì)量時(shí)，結(jié)束膨化試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取數(shù)據(jù)平均值作為最終指標(biāo)。

1.3.2 組合試驗(yàn)

選取微波強(qiáng)度X1，初始含水率X2，真空度X3，膨化時(shí)間X4為因素，膨化率Y為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行4因素5水平的正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

在因素選擇時(shí)，考慮到減少試驗(yàn)次數(shù)，提高研究結(jié)果的適用性，引入“微波強(qiáng)度”概念表征微波功率與物料質(zhì)量比率。依據(jù)單因素試驗(yàn)的結(jié)果，在所研究3個(gè)微波功率水平中，功率為1.76 kW時(shí)，可使黑加侖整果的膨化率達(dá)到最高水平，考慮實(shí)際生產(chǎn)需要，選擇黑加侖整果處理量范圍在44～220 g，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)微波強(qiáng)度。根據(jù)在單因素試驗(yàn)中觀察到的黑加侖整果膨脹體積和硬度，在膨化時(shí)間4 min后體積均呈現(xiàn)向最高水平緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，在8 min后膨化整果因表層硬度增加，口感變差，考慮膨脹體積和硬度選擇膨化時(shí)間范圍。組合試驗(yàn)中的初始含水率和真空度的選擇與單因素的一致。因素及水平編碼見(jiàn)表1。

表1 組合試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels of combination experiment

1.3.3 指標(biāo)測(cè)定

物料含水率按GB 5009.3-2010標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。

膨化前后物料的體積用石英砂體積置換法測(cè)定。體積V用下式計(jì)算：

式中，V1-初始石英砂的體積（mL）；V2-黑加侖整果與石英砂的總體積（mL）。

黑加侖整果膨化率P按下式計(jì)算：

式中，V0-黑加侖整果的原始體積（mL）；Vt-膨化t時(shí)刻黑加侖整果的體積（mL）。

1.4 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用SAS軟件（9.1.3，SAS公司，Cary，美國(guó)）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；應(yīng)用Sigmaplot軟件（12.0，Systat公司，Chicago，美國(guó)）對(duì)單因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合方程；應(yīng)用Design Expert軟件（Ver7.0，Stat-Ease公司，美國(guó)）進(jìn)行組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素結(jié)果與分析

為定量分析微波真空條件對(duì)黑加侖整果膨化特性的影響，建立每一微波真空膨化條件下的整果膨化率模型，對(duì)比分析同一類型模型的參數(shù)變化，解釋各因素對(duì)黑加侖整果膨化率影響規(guī)律。圖1～4中各微波真空膨化因素對(duì)膨化率的影響曲線的變化趨勢(shì)，依據(jù)高決定系數(shù)（R2）和低標(biāo)準(zhǔn)偏差（SEE），選擇Exponent rise to maximum函數(shù)表征膨化率變化，一般形式見(jiàn)式（3）：

根據(jù)函數(shù)（3）中各值的數(shù)學(xué)意義，在微波真空膨化過(guò)程中式（3）中各項(xiàng)含義為：y表示黑加侖整果膨化率（%）；a表示膨化率可達(dá)到的最高水平，定義為膨脹系數(shù)；b表示膨化動(dòng)力，定義為動(dòng)力系數(shù)；x表示膨化時(shí)間。

2.1.1 微波功率對(duì)膨化率的影響

圖1為不同微波功率對(duì)膨化率的影響曲線，微波功率對(duì)膨化率的影響極顯著（P＜0.01）。當(dāng)微波功率為1.76 kW時(shí)，膨化率最大，其次為2.53 kW，膨化率最小為0.99 kW，黑加侖整果膨化率分別為143%、156%、144%。

圖1 微波功率對(duì)膨化率的影響Fig.1 Effect of microwave power on the expansion ratio

在三種微波功率下，黑加侖整果膨化率的回歸系數(shù)見(jiàn)表2，膨脹系數(shù)a隨微波功率的增加而增大，而動(dòng)力系數(shù)b隨微波功率的增加而增大，1.76 kW時(shí)達(dá)到最大，后又降低。表明微波功率與整果體積膨脹的趨勢(shì)正相關(guān)，但是在低微波功率時(shí)，物料內(nèi)水分吸收微波能少，形成蒸汽壓力低，不足以使物料膨脹；在高微波功率時(shí)，整果吸收大量微波能，表層迅速脫水定型，硬度變大，不利于物料體積膨脹。

2.1.2 處理量對(duì)膨化率的影響

圖2為不同處理量對(duì)膨化率的影響曲線，隨著處理量增加，膨化率逐漸升高，當(dāng)處理量為90 g時(shí)達(dá)到最大，后又降低。不同處理量下黑加侖整果膨化率模型系數(shù)見(jiàn)表3，膨脹系數(shù)a隨處理量逐漸增加，90 g時(shí)達(dá)到最大，后又減少，由于本研究中處理量從30 g增加到90 g，更多的微波能被利用（否則會(huì)在微波腔壁上經(jīng)多次反射被消耗），漿果體積膨脹趨勢(shì)增加，在處理量為120 g時(shí)微波強(qiáng)度下降，膨脹潛力下降；動(dòng)力系數(shù)b隨處理量先減少后增加，取決于漿果內(nèi)部的產(chǎn)生水蒸汽量、表層去水量和硬度，在內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽量多，表層硬度低時(shí)，動(dòng)力系數(shù)b較大。處理量為90 g時(shí)，膨化率為1.99，膨化率達(dá)到最高水平。

表2 不同微波功率下黑加侖整果膨化率模型系數(shù)Table 2 Regression coefficient describing the expansion ratio of dried blackcurrant under different microwave power

圖2 處理量對(duì)膨化率的影響Fig.2 Effect of sample mass on the expansion ratio

表3 不同處理量下黑加侖整果膨化率的模型系數(shù)Table 3 Regression coefficient describing the expansion ratio of dried blackcurrant under different sample mass

初始含水率對(duì)膨化率的影響曲線見(jiàn)圖3，隨初始含水率增加，膨化率呈降低趨勢(shì)。不同初始含水率下黑加侖整果膨化率模型系數(shù)見(jiàn)表4，膨脹系數(shù)a隨初始含水率的增加逐漸減少，膨化動(dòng)力系數(shù)b變化不顯著。當(dāng)初始含水率為45%時(shí)，膨化率最高，膨脹系數(shù)a最大，可能是因?yàn)樵诖撕氏拢诩觼鰞?nèi)部的水分吸收足量微波能，產(chǎn)生大量水蒸汽，而表層去水使物料保持合適硬度：既可支撐體積膨脹，又使膨脹阻礙變小。但隨著初始含水率增加，在相同微波功率下，微波干燥去水能力相同，初始含水率高的物料經(jīng)過(guò)干燥后，表層含水率增加，硬度低，支撐體積能力差，體積膨脹率下降。

圖3 初始含水率對(duì)膨化率的影響Fig.3 Effect of initial moisture content on the expansion ratio

表4 不同初始含水率下黑加侖整果膨化率的模型系數(shù)Table 4 Regression coefficient describing the expansion ratio of dried blackcurrant under different initial moisture content

2.1.4 真空度對(duì)膨化率的影響

圖4所示為不同真空度下膨化率的變化曲線，真空度低于55%時(shí)，膨化率隨真空度升高而增加；當(dāng)真空度升高至70%時(shí)，膨化率最大；當(dāng)真空度繼續(xù)增加至85%時(shí)，膨化率反而降低。

不同真空度下黑加侖整果膨化率的模型見(jiàn)表5，隨著真空度增加，膨脹系數(shù)a逐漸升高，到真空度為70%時(shí)呈下降趨勢(shì)，動(dòng)力系數(shù)b系數(shù)呈增大趨勢(shì)。隨著真空度增加，黑加侖整果內(nèi)部的水分愈發(fā)容易蒸發(fā)生成水蒸汽，且物料內(nèi)部的水蒸汽壓力與外部壓力增大，此狀態(tài)促進(jìn)整果體積膨脹。當(dāng)膨化室內(nèi)真空度過(guò)高（如本研究中在85%），會(huì)使整果表層的水蒸汽壓力與周圍環(huán)境的水蒸汽水分壓力差值增大，加劇物料表層水分蒸發(fā)速度，出現(xiàn)表層硬化現(xiàn)象，增加內(nèi)部水蒸汽推動(dòng)體積膨脹的阻力，體積膨脹率下降。

圖4 真空度對(duì)膨化率的影響Fig.4 Effect of vacuum degree on the expansion ratio

通過(guò)單因素試驗(yàn)確定Exponent rise to maximum函數(shù)適合于描述微波真空膨化每項(xiàng)因素對(duì)黑加侖整果的影響，膨脹系數(shù)a和動(dòng)力系數(shù)b的綜合作用，決定微波真空膨化黑加侖整果膨化率。兩兩因素的交互作用對(duì)整果膨化率的影響，依據(jù)組合試驗(yàn)結(jié)果分析。

2.2 組合試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 組合試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用中心組合設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)和實(shí)施4因素5水平響應(yīng)面試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6，用以分析微波強(qiáng)度、初始含水率、真空度、膨化時(shí)間4個(gè)因素對(duì)黑加侖整果膨化率的交互影響并確定合理加工參數(shù)。

表5 不同真空度下黑加侖整果膨化率模型系數(shù)Table 5 Regression coefficient of describing expansion ratio of dried blackcurrant under different vacuum pressure

表6 二次回歸正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of quadratic regression orthogonal experiments

續(xù)表

2.2.2 回歸模型及方差分析

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各因素對(duì)膨化率的回歸模型：

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析見(jiàn)表7。由表7可知，模型（4）在回歸顯著水平（P＜0.01），X3、X4、X22對(duì)響應(yīng)值影響顯著，X42對(duì)響應(yīng)值影響極顯著。比較各因素的F值可知，對(duì)膨化率影響主次順序?yàn)椋号蚧瘯r(shí)間＞真空度＞微波強(qiáng)度＞初始含水率。

表7 膨化率的方差分析Table 7 Analysis of variance of expansion ratio

2.2.3 各因素對(duì)膨化率的交互影響分析

各因素對(duì)黑加侖整果膨化的體積膨脹率的交互影響見(jiàn)圖5（a～f）。在微波真空膨化黑加侖整果如圖5（a）條件下，隨著微波強(qiáng)度增加，黑加侖整果的初始含水率升高引起其膨化率先增加后下降，原因是整果初始含水率低時(shí)，在其內(nèi)部產(chǎn)生的蒸汽膨脹動(dòng)力低；而含水率高時(shí)，表層硬度低，無(wú)法定型；在整果初始含水率55%時(shí)，整果表層硬度足以支撐起內(nèi)部蒸汽引起的較大體積膨脹，達(dá)到最高值145%。當(dāng)初始含水率處于試驗(yàn)參數(shù)水平時(shí)，微波強(qiáng)度對(duì)膨化率的影響在統(tǒng)計(jì)上不顯著（p=0.8555＞0.05）。

圖5 各工藝參數(shù)對(duì)膨化率影響的響應(yīng)曲面圖Fig.5 Response surface an contour plots of various process parameters’effects on expansion ratio

在微波真空膨化黑加侖整果如圖5（b）條件下，微波強(qiáng)度低時(shí)，真空度對(duì)膨化率的影響不顯著，微波強(qiáng)度較高時(shí)，膨化率隨真空度的增加迅速增大；當(dāng)真空度處于低水平時(shí)，膨化率隨微波強(qiáng)度的增大有下降趨勢(shì)，在真空度高水平時(shí)，膨化率隨微波強(qiáng)度而增大。這是由于真空度和微波強(qiáng)度較大時(shí)，水分可在較低的溫度下迅速蒸發(fā)，在黑加侖整果內(nèi)部形成較高的蒸汽壓，引起體積膨脹；在真空度和微波強(qiáng)度較低時(shí)，水分蒸發(fā)產(chǎn)生蒸汽量少，不足以支撐體積膨脹，隨著表層水分下降，體積有一定程度的收縮。

在微波真空膨化黑加侖整果如圖5（c）條件下，微波強(qiáng)度一定時(shí)，膨化率隨膨化時(shí)間先升高，直到6 min，然后降低。膨化時(shí)間長(zhǎng)，物料吸收微波能多，水分過(guò)分去除，表層硬化，內(nèi)部局部焦糊，不利于體積的膨脹和多孔性結(jié)構(gòu)的形成。

在微波真空膨化黑加侖整果如圖5（d）條件下，真空度低時(shí)，膨化率隨初始含水率先緩慢增大后迅速減少；高真空度時(shí)，膨化率隨初始含水率先迅速增加后緩慢降低。低初始含水率時(shí)，真空度對(duì)膨化率的影響不明顯，初始含水率高于60%時(shí)，真空度與膨化率呈明顯正相關(guān)。初始含水率為55%～60%，真空度70%～85%時(shí)，膨化率最大。合適的真空度和物料的初始含水率，可使黑加侖整果內(nèi)產(chǎn)生足量水蒸氣推動(dòng)體積膨化，而整果表層水分蒸發(fā)，使得含量下降硬度增加，能夠支撐起膨脹的體積，達(dá)到最佳膨化效果。

在微波真空膨化黑加侖整果如圖5（e）條件下，整果的膨化率隨初始含水率和膨化時(shí)間增加先增大后減小，這是由于整果初始含水率和膨化時(shí)間從較低水平開(kāi)始增加時(shí)，內(nèi)部水蒸氣生成量呈增加趨勢(shì)，有利于多孔結(jié)構(gòu)的形成和體積的膨脹，在初始含水率55%和膨化時(shí)間6 min時(shí)，膨化率達(dá)到最高水平。當(dāng)兩因素進(jìn)一步增高時(shí)，在同一微波強(qiáng)度下，物料去水量相同，表層含水率處于偏高水平，硬度下降，不能支撐膨脹的體積，整果膨脹率下降。

在微波真空膨化黑加侖整果如圖5（f）條件，真空度和膨化時(shí)間對(duì)膨化率有顯著影響。真空度一定時(shí)，整果膨化率隨膨化呈增加趨勢(shì)至較高水平；膨化率隨真空度在25%～70%范圍內(nèi)的增加而增大，這是由于真空度增加使?jié){果內(nèi)部容易發(fā)生汽化，產(chǎn)生較多的蒸汽，引起膨化率增大。但過(guò)高的真空度可能導(dǎo)致整果表層去水過(guò)多，硬度增加，不利于體積膨脹。

3 結(jié)論

a.本研究發(fā)現(xiàn)微波功率、真空度、初始含水率、處理量對(duì)黑加侖整果的膨化特性有顯著影響，體積膨脹過(guò)程有迅速增長(zhǎng)和緩慢增加兩個(gè)階段，符合Exponent rise to maximum函數(shù)規(guī)律；每項(xiàng)因素對(duì)整果膨脹系數(shù)和動(dòng)力系數(shù)的綜合作用，決定微波真空膨化黑加侖整果膨化率。

b.通過(guò)膨化特性分析和工藝參數(shù)優(yōu)化，確認(rèn)微波真空技術(shù)適合于經(jīng)滲透脫水預(yù)處理的黑加侖漿果膨化加工，生產(chǎn)出新型漿果制品，為其他漿果的相近加工提供技術(shù)參考。

c.微波真空加工產(chǎn)品存在膨化均勻性差問(wèn)題，制約此技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。為此在工藝上可采用優(yōu)化工藝參數(shù)和模式；在設(shè)備結(jié)構(gòu)上，可采用吊籃式或轉(zhuǎn)盤式載料裝置，使物料在微波加工時(shí)有等同幾率經(jīng)歷微波各種傳播模式；在物料選擇時(shí)，可通過(guò)篩分和色選等分級(jí)方式，使同一加工批次的整果有相同的規(guī)格和成熟度。

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Microwave-vacuum puffing characteristics and process parameters optimization of blackcurrant berry

SUN Jingkun,ZHENG Xianzhe,LIU Bingxin, SHEN Huifang,LIU Chenghai,TAO Yan,LI Xiuwei,ZHANG Qinqin(School of Engineering, Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Microwave power,initial moisture content,vacuum degree and sample mass were selected to investigate the microwave puffing characteristics by means of the single factor experiments. The quadratic regression orthogonal rotary method was used to analyze the effect of microwave intensity,initial moisture content,vacuum degree and puffing time on the expansion ratio.The models of expansion ratio of whole blackcurrant berry were established as the function of the influencing factors in terms of microwave intensity,vacuum degree,initial moisture content and puffing time.The optimum processing parameters of microwave vacuum puffing were obtained.The results showed puffing time had the most significant effect on expanding ratio(P＜0.05),followed by the vacuum degree,microwave intensity and initial moisture content.The volume expansion process of puffed whole blackcurrant berry involved in rapidly and slowly increasing stages,which obeyed Exponent rise to maximum equation.The research may provide the valuable theoretical basis for industrialized production of microwave vacuum puffing berry.

microwave vacuum;puffing;blackcurrant;puffing characteristics;parameters optimization

S767.5；X172

A

1005-9369（2014）12-0096-09

時(shí)間2014-12-29 9∶05∶00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141229.0905.012.html

孫井坤,鄭先哲,劉秉欣,等.黑加侖漿果微波真空膨化特性[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(12):96-104.

Sun Jingkun,Zheng Xianzhe,Liu Bingxin,et al.Microwave-vacuum puffing characteristics and process parameters optimization of blackcurrant berry[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(12):96-104.(in Chinese with English abstract)

2014-10-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（31071579）；黑龍江省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（ZD201013）

孫井坤（1978-），男，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品干燥貯藏與品質(zhì)控制。E-mail∶jksun@neau.edu.cn

*通訊作者：鄭先哲，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品加工。E-mail∶zhengxz2013@163.com