SC-CO2在葡萄酒渣功能性成分提取中的應用

宋金慧，李雙石，馬越，曹奇光，謝國莉

（北京電子科技職業(yè)學院，北京100029）

SC-CO2在葡萄酒渣功能性成分提取中的應用

宋金慧，李雙石*，馬越，曹奇光，謝國莉

（北京電子科技職業(yè)學院，北京100029）

葡萄酒工業(yè)產(chǎn)生大量的廢棄物即葡萄酒渣，葡萄酒渣富含具有抗氧化活性和醫(yī)療保健功能的組分。超臨界二氧化碳萃取技術是近年來興起的一項具有精餾和萃取兩過程的高新物質(zhì)分離精制技術。介紹了超臨界二氧化碳萃取的原理、特點及其在葡萄酒渣功能性成分提取中應用的研究進展，旨在為葡萄酒渣的綜合利用提供一定的參考和借鑒。

葡萄酒渣；超臨界二氧化碳；功能性成分

超臨界萃取技術（supercritical fluid extraction，SFE）產(chǎn)生于20世紀50年代，是一項集提取、分離、濃縮為一體的新技術，目前已經(jīng)廣泛應用于食品、香料、醫(yī)藥、化妝品及化工等領域。迄今為止，約90%以上的超臨界流體萃取應用研究均使用二氧化碳為萃取劑。與傳統(tǒng)的分離技術相比較，超臨界CO2萃取技術（supercriticalCO2extraction，SC-CO2）具有較明顯的優(yōu)勢，其中的CO2不僅可以循環(huán)利用，而且提取出的終產(chǎn)物雜質(zhì)少、純度高，完全符合環(huán)境保護和循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的需要[1]。

我國是葡萄生產(chǎn)大國，葡萄產(chǎn)量增長迅速。隨著人們生活水平的提高、保健意識的增強，對葡萄酒的需求也在不斷增加。我國每年葡萄產(chǎn)量140多萬噸，其中80%用于釀酒，2012年，全國葡萄酒的產(chǎn)量高達138.2萬kL。葡萄酒渣是指葡萄釀酒后產(chǎn)生的殘渣，主要由葡萄皮、葡萄籽和葡萄梗組成，約占釀酒葡萄總加工質(zhì)量的20%左右，因此由釀造葡萄酒而產(chǎn)生的葡萄酒渣資源極其豐富[2]。國內(nèi)外不斷深入研究發(fā)現(xiàn)，釀酒后的葡萄酒渣中含有大量的功能性成分，包括原花青素、白黎蘆醇、黃酮類化合物等，這些功能性成分具有多種藥理活性和醫(yī)療保健功能，在消炎、抗突變、抗腫瘤和抗心腦血管疾病等方面均具有顯著功效。葡萄酒渣中功能性成分的提取是葡萄酒渣綜合利用的重點，葡萄酒渣的綜合利用，可變廢為寶，既保護環(huán)境又可節(jié)約資源，創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟效益和社會效益[3-4]。

鑒于超臨界萃取技術的顯著優(yōu)勢和葡萄酒渣的利用價值，本文綜述了近年來國內(nèi)外學者應用超臨界二氧化碳萃取技術提取葡萄酒渣中功能性成分的研究進展，旨在為今后葡萄酒渣的回收利用提供有價值的參考。

1超臨界二氧化碳萃取技術的原理和特點

1.1 超臨界二氧化碳萃取的原理

超臨界流體萃取是利用超臨界流體作為溶劑進行物料萃取的技術，即利用處于臨界溫度和臨界壓力以上、介于氣體和液體之間的流體具有很強的溶解能力和良好的流動及傳遞性能的特點，通過控制溫度和壓力進行選擇性萃取和分離的新技術。目前最常用的萃取劑是二氧化碳。超臨界CO2萃取技術是基于高壓或高密度狀態(tài)下的CO2對有機物有很強的溶解能力，而低壓或低密度下的CO2對有機物的溶解能力很弱這種物理性質(zhì)的差別來實現(xiàn)萃取和分離，根據(jù)超臨界CO2的這種特點，可以很方便地通過改變二氧化碳的溫度和壓力來調(diào)節(jié)萃取產(chǎn)物的組成[5-6]。

1.2 超臨界二氧化碳萃取的特點

超臨界CO2萃取技術比傳統(tǒng)萃取法相比，具有如下優(yōu)點[5-6]。

1.2.1 萃取溫度低

CO2的臨界溫度為31.27℃，接近于室溫，適合于分離熱敏性物質(zhì)，可以有效地防止熱敏性成分的氧化和逸散，完整保留生物活性，而且能把高沸點，低揮發(fā)性、易熱解的物質(zhì)在其沸點溫度以下萃取出來。臨界壓力為7.18MPa，處于中等壓力，易于達到其超臨界狀態(tài)。由于SC-CO2具有較溫和的萃取條件，因此被廣泛應用于植物天然活性成分的提取領域中。

1.2.2 壓力和溫度都可以成為調(diào)節(jié)萃取過程的參數(shù)

臨界點附近，溫度壓力的微小變化，都會引起CO2密度顯著變化，從而引起待萃物的溶解度發(fā)生變化，可通過控制溫度或壓力的方法達到萃取目的。壓力固定，改變溫度可將物質(zhì)分離；反之溫度固定，降低壓力使萃取物分離；因此工藝流程短、耗時少。對環(huán)境無污染，萃取流體可循環(huán)使用，真正實現(xiàn)生產(chǎn)過程綠色化。

1.2.3 萃取和分離合二為一

當飽含溶解物的二氧化碳超臨界流體流經(jīng)分離器時，由于壓力下降使得CO2與萃取物迅速成為兩相（氣液分離）而立即分開，不存在物料的相變過程，不需回收溶劑，操作方便；不僅萃取效率高，而且能耗較少，節(jié)約成本。

1.2.4 無溶劑殘留

超臨界CO2流體常態(tài)下是氣體，無毒、無味、不燃、不腐蝕，與萃取成分分離后，完全沒有溶劑的殘留，有效地避免了傳統(tǒng)提取條件下溶劑毒性的殘留。同時也防止了提取過程對人體的毒害和對環(huán)境的污染，百分之百的純天然。

1.2.5 超臨界流體的極性可以改變

一定溫度條件下，只要改變壓力或加入適宜的夾帶劑即可提取不同極性的物質(zhì)，可選擇范圍廣。、

1.2.6具有抗氧化滅菌作用

有利于保證和提高天然產(chǎn)物產(chǎn)品的質(zhì)量

2超臨界二氧化碳技術在葡萄酒渣功能性成分提取中的應用

2.1 葡萄籽油

葡萄酒渣中葡萄種籽占有很大的比重，約占干葡萄皮渣的65%，葡萄籽油是葡萄酒渣綜合利用的主要途徑，也是綜合利用產(chǎn)量最大的產(chǎn)品。葡萄籽中的油脂含量約為10%～15%，且含有豐富的不飽和脂肪酸，其中亞油酸的含量更是達到70%以上。葡萄籽油中還含有多種礦物元素和VA、VD、VE、VP、VK等多種維生素，特別是VE含量最高。葡萄籽油具有調(diào)節(jié)血脂、清除沉積的血清膽固醇、防止血栓形成、擴張血管、促進人體前列腺素的合成，還有營養(yǎng)腦細胞、調(diào)節(jié)植物神經(jīng)等作用[7]。葡萄籽油除了作食用外，還可作化妝品的原料以及機械工業(yè)的潤滑油。

目前，葡萄籽油的提取方法主要有機械壓榨法、溶劑浸出法和超臨界萃取法。機械壓榨法存在出油率低、雜質(zhì)含量高，且能耗大的缺點，溶劑提取法的出油率較高，提取較徹底，但溶劑極易燃，對操作安全要求較高，產(chǎn)品中易存在溶劑殘留，且在有機溶劑回收過程中易引起不飽和脂肪酸分解等缺陷。超臨界CO2萃取技術最大的優(yōu)點是可以低溫操作，避免了葡萄籽油中不飽和脂肪酸的氧化分解，而且溶劑無殘留，能耗低，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，是保健植物籽油提取的有效手段[8]。

黃雪等采用超臨界CO2萃取技術對葡萄籽中的葡萄籽油進行提取，選用無水乙醇為夾帶劑，在夾帶劑料液比為1:2，萃取壓力30MPa，CO2流量27 kg/h，萃取溫度為50°C，萃取時間3 h條件下，平均提取率可以達到15.12%[9]。李延輝等采用超臨界CO2萃取技術直接對壓榨法制取的葡萄籽毛油進行精制，該法將脫酸、脫色、脫臭等步驟一次完成，速度快、效率高，操作溫度低，對油脂的有效成分不產(chǎn)生破壞，精制后的葡萄籽油無溶劑殘留，色澤亮黃純正，氣味清香[10]。王忠華對超臨界CO2技術萃取葡萄籽油的工藝條件進行了探討，考察了物料粒度、萃取壓力、萃取溫度和萃取時間對葡萄籽油萃取率的影響，結果表明超臨界CO2技術萃取葡萄籽油的工藝切實可行，在葡萄籽粒度40目、萃取壓力50MPa、溫度32℃、萃取時間60min的條件下，葡萄籽油的平均萃取率可達14.91%[11]。唐春江等以刺葡萄種籽為原料，采用普通超臨界和超聲波強化超臨界萃取技術，對發(fā)酵、未發(fā)酵不同處理的刺葡萄種籽進行脂肪酸萃取，結果表明，普通超臨界裝置萃取的刺葡萄籽油萃取率高、油脂清亮且透明度好，優(yōu)于超聲波強化超臨界裝置[12]。

將生物酶法與超臨界CO2萃取結合使用成為近幾年葡萄籽油提取的新趨勢，即在萃取前先用細胞壁降解酶處理，進而可提高葡萄籽的出油率。Passos等研究了葡萄籽中籽油的超臨界萃取前，進行加酶的前處理，最大得率可由原來的11.5%提高到16.5%，所加酶包括纖維素酶、蛋白酶、木聚糖酶和果膠酶等[13]。

2.2 葡萄皮精油

葡萄芳香物質(zhì)是葡萄中一類令人產(chǎn)生愉悅感覺的揮發(fā)性物質(zhì)的總稱，葡萄的典型芳香物質(zhì)有大部分是里那醇、橙花醇、香葉醇、香茅醇等萜烯類化合物，它們均為結構簡單的小分子有機物。葡萄芳香物質(zhì)分布于葡萄的果肉、果皮、葉片、莖等不同部分，其中葡萄果皮中芳香物質(zhì)多于果肉中芳香物質(zhì)，因此葡萄皮精油的高效提取和二次開發(fā)成為葡萄酒渣高效轉化增值新的發(fā)展方向。由于超臨界流體萃取技術具有較溫和的提取條件本身的獨特優(yōu)勢，可有效保護精油中熱敏性或化學不穩(wěn)定性成分不被破壞，因此該技術在萃取植物芳香成分的研究領域非?；钴S[6]。

張振華等采用超臨界CO2技術提取玫瑰香葡萄皮精油，考察CO2流量、溫度、壓力、時間等關鍵因素對葡萄皮精油得率的影響，結果表明影響因素的主次作用為萃取時間＞萃取溫度＞萃取壓力，最佳工藝條件為萃取時間35min、萃取溫度35℃、萃取壓力30MPa，隨著CO2流量增加、萃取時間延長，萃取效率成線形增加，但當達到2mL/min的CO2流量、萃取50min的臨界點后，萃取效率將逐漸降低[14-15]。

2.3 單寧和原花青素

單寧是不同聚合度的黃烷-3-醇聚合物的混合物，又叫單寧酸、鞣酸，主要是一些引起澀味的多酚類物質(zhì)。單寧具有止血、抑菌、抗過敏、抗突變、抗癌、抗腫瘤、抗衰老等生理活性。葡萄梗和葡萄籽中均含有含量較高的單寧物質(zhì)[2]。

張建研究了從葡萄梗中超臨界CO2萃取單寧的方法，并對影響萃取的各種因素進行了分析，得出了優(yōu)選的超臨界CO2萃取條件為萃取壓力25MPa、萃取時間90min、萃取溫度37°C、CO2流速12.5mL/min，此條件下單寧得率高達88.4%[16]。

原花青素（Proanthocyanidins），也稱縮合單寧，是由不同數(shù)量的兒茶素或表兒茶素縮合而成，形成二聚體直至十聚體化合物，原花青素廣泛存在于各種植物的核、皮或種子等部位。原花青素是一種高效的抗氧化劑，是目前為止發(fā)現(xiàn)的最有效的自由基清除劑，在體內(nèi)的抗氧化活性為VC的20倍、VE的50倍。原花青素同時還具有保護血管內(nèi)皮，抑制低密度脂蛋白氧化，抗腫瘤，抗糖尿病以及抗誘變的能力，在食品、藥品、保健品和化妝品等領域應用廣泛[2]。

原花青素在葡萄中主要以二聚體形式存在。雖然許多植物的果實都含有原花青素，但葡萄籽原花青素在質(zhì)量和含量上均比較突出。近年來，許多國家開始采用超臨界CO2萃取技術從葡萄籽中提取高純度的原花青素，它是根據(jù)原花青素的分子結構，加入合適的夾帶劑，以此來影響原花青素在超臨界流體中的溶解度與選擇性，然后用超臨界CO2萃取法從葡萄籽油的殘渣中制取原花青素，以獲得無毒、無殘留、無環(huán)境污染、高純度的原花青素物質(zhì)[17]。

孫傳經(jīng)利用超臨界二氧化碳萃取技術提取了葡萄渣中的葡萄籽油和原花青素低聚物，研究表明葡萄渣在萃取釜壓25MPa～29MPa，溫度為60℃條件下經(jīng)超臨界二氧化碳萃取出葡萄籽油后，向超臨界二氧化碳中加入夾帶劑70%丙酮，CO2與夾帶劑質(zhì)量比為4:1，最終得到的原花青素產(chǎn)品純度可以達到95%以上[18]。唐韶坤以提取刺葡萄籽油后的萃余物為原料，采用超臨界CO2提取法對原花青素的工藝進行優(yōu)化，得出最佳提取條件為萃取溫度55°C、萃取壓力40MPa、原料與夾帶劑質(zhì)量比為1:1.2、靜態(tài)浸泡時間為90min，此條件下得到了純度為96.54%的優(yōu)質(zhì)原花青素產(chǎn)品，且產(chǎn)率達到3.81%[19]。姚方耀等人利用超臨界CO2萃取法從葡萄籽中提取原花青素，采用了動態(tài)夾帶劑超臨界CO2、靜態(tài)夾帶劑超臨界CO2、動靜結合夾帶劑超臨界CO23種方法，并對靜態(tài)夾帶劑超臨界CO2萃取原花青素的工藝進行了正交實驗研究，結果表明在萃取溫度65°C、壓力35MPa時產(chǎn)品純度達到95%以上，收率達到8.38%，達到了出口產(chǎn)品的品質(zhì)要求[20]。

2.4 白藜蘆醇

白藜蘆醇（Resveratrol，Res）又稱芪三酚，化學名稱為3，4，5-三羥基二苯乙烯（3，4，5-trihydrolystilbence），是植物體中產(chǎn)生的天然二苯乙烯類多酚物質(zhì)，是一種次生代謝產(chǎn)物。大量動物實驗研究表明，白藜蘆醇具有抗腫瘤、消炎、抗菌、抗氧化、抗自由基、保護肝臟、保護心血管和抗心肌缺血等功能。白藜蘆醇普遍存在于葡萄皮和葡萄籽中，在葡萄皮中含量最高，其次是葡萄籽，而在葡萄果汁中幾乎沒有，此物質(zhì)可通過浸漬與發(fā)酵進入葡萄酒中。葡萄酒中白藜蘆醇含量的多少取決于葡萄的種類、前處理（破碎和壓榨）以及釀造方法的不同[2]。

白藜蘆醇的提取方法主要有溶劑提取法、堿性水或堿性稀醇提取法以及超聲波提取法、酶解法等，其中溶劑法是國內(nèi)外最廣泛應用的提取方法。常用溶劑主要有水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯、乙醚等。溶劑法對設備要求簡單，產(chǎn)品得率較高，但缺點是成本高，雜質(zhì)含量也高[21]。

張青松利用超臨界CO2萃取技術對釀酒后的葡萄皮渣進行白藜蘆醇的提取，研究結果得出最佳的提取工藝條件是采用7.5%的乙醇作為夾帶劑，萃取溫度38℃、萃取壓力13MPa、萃取時間17min，在此條件下白藜蘆醇的收率可以達到0.087%。此研究同時對超臨界CO2萃取與有機溶劑提取法、酶法、超聲波法進行了比較分析，結果表明超臨界CO2萃取法提取的白藜蘆醇產(chǎn)物雜質(zhì)最少，純度最高，但與酶法提取、超聲波提取法和有機溶劑提取法相比，超臨界CO2萃取法收率最低，因此建議利用超臨界CO2萃取法對粗提產(chǎn)物進行精制[22]。Casas等采用超臨界CO2萃取技術提取葡萄皮、葡萄梗、葡萄籽和葡萄皮渣中的白藜蘆醇，考察不同萃取壓力（100 bar～400 bar）和不同萃取溫度條件（35℃～55℃）對于白藜蘆醇提取率的影響，研究結果表明，最佳萃取條件為選用葡萄皮為提取原料，配合5%乙醇作為夾帶劑，壓力400 bar，溫度35℃，此條件下白藜蘆醇的提取率最高，可以達到原料干重的49.1mg/100 g[23]。

2.5 花色苷

花色苷類物質(zhì)是植物花、果實的主要成色物質(zhì)，葡萄花色苷作為一種天然食用色素，安全、無毒、資源豐富，且具有多種生理活性作用，如清除體內(nèi)自由基和抗氧化作用，抑制低密度脂蛋白氧化和血小板聚集，預防冠心病、高血脂、動脈粥樣硬化及白內(nèi)障等疾病，因此，花色苷在食品、化妝品、醫(yī)藥保健等領域均有著巨大的應用潛力[24]。葡萄花色苷主要存在于果皮中，葡萄酒釀造后產(chǎn)生的副產(chǎn)物葡萄皮渣仍含有大約60%的花色苷類物質(zhì)[2]。

目前超臨界流體技術在萃取天然色素中的應用較多[24]，但在葡萄花色苷提取中的應用在國內(nèi)還未見報道。國內(nèi)葡萄花色苷提取的方法多采用溶劑提取法、超聲波輔助提取法、微波輔助提取法和酶法[25]。Vatai等人采用超臨界CO2從葡萄渣提取花色苷，研究表明，利用超臨界CO2提取法可以有效替代傳統(tǒng)的有機酸溶劑提取花色苷的方法[26]。

2.6 總酚

Pinelo等分別采用溶劑提取法和超臨界CO2萃取法提取葡萄酒渣中多酚物質(zhì)，結果表明優(yōu)化工藝條件下超臨界CO2萃取法提取的多酚量是溶劑提取法的2倍，同時建議超臨界CO2萃取時，需添加8%的乙醇夾帶劑，以有利于多酚物質(zhì)的釋放[27]。Ghafoor等人采用響應面曲面法優(yōu)化葡萄皮中多酚類物質(zhì)的提取工藝，結果表明采用45℃～46℃，1.56 MPa～1.6MPa和6%～7%的乙醇作夾帶劑的提取條件，總酚提取率可達2.156mg/100mL，抗氧化物提取率可達1.628mg/mL，總花色苷提取量可達1.176mg/mL[28]。

2.7 齊墩果酸

齊墩果酸（oleanolic acid，OA）是五環(huán)三萜類化合物，廣泛分布于植物界，OA通常以游離或結合成苷的形式存在。齊墩果酸具有消炎、增強免疫、抑制血小板聚集、降血脂等作用，目前臨床上主要用來治療急性黃疸型肝炎和慢性肝炎，具有毒副作用低等優(yōu)點[29，30]。來海中等人用正交設計的方法優(yōu)化葡萄皮渣中齊墩果酸CO2超臨界萃取的工藝條件，以齊墩果酸得率評價，確定最佳萃取條件為萃取壓力21MPa、萃取溫度37°C、CO2流量5 L/min[31]。

3葡萄酒渣超臨界二氧化碳萃取物的成分分析

超臨界CO2萃取技術作為一項新技術，也存在一定的局限性，其常用流體CO2由于非極性和相對分子質(zhì)量低的特點，故主要用于低極性的小分子化合物的萃取，而對極性較大或分子量較大的有效成分（如某些內(nèi)酯、生物堿、黃酮及酚類等）缺乏足夠的溶解性而提取效率較差。因此，該技術通常較適用于親脂性、小分子物質(zhì)的提取，對于植物中的某些極性較強的功能性成分，僅靠改變提取的壓力和溫度常難以達到理想的提取效果，必須在其提取體系中加入夾帶劑來提高其溶解強度，因而必須在合適的夾帶劑的選用方面下功夫[32]。

唐春江等對超臨界CO2萃取技術提取的發(fā)酵與不發(fā)酵刺葡萄籽油進行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析（GCMS），結果顯示兩種刺葡萄籽油的成分都以不飽和脂肪酸為主（83%～87%），且不飽和脂肪酸主要是亞油酸（82%～86%）[12]。楊碧霞等采用超臨界CO2萃取法提取巨峰葡萄籽油，用氣相色譜法對其成分進行分析，結果表明，葡萄籽油中不飽和脂肪酸含量較高，占88.3%，含亞油酸69.9%和油酸18.4%，飽和脂肪酸主要為硬脂酸和棕櫚酸，相對含量分別為3.6%、8.1%[33]。王仁才對超臨界CO2萃取的未經(jīng)甲酯化刺葡萄籽油樣品進行GC/MS分析，在葡萄籽油首次發(fā)現(xiàn)含量較高的角鱉烯功效成分，這不僅為刺葡萄籽油具有較強的增強機體生理功能、提高免疫力等保健作用提供了理論依據(jù)，也為葡萄籽功效成分的提取利用及其保健領域研究開拓了新途徑[34]。

Daniela等對兩種釀酒葡萄品種（美樂、西拉）的皮渣中多酚成分進行超臨界CO2提取，并采用高效液相色譜技術（HPLC）對其萃取物進行成分分析，結果表明萃取物中的主成分有沒食子酸（gallic acid）、安息香酸（p-OH-benzoic acid）、香草酸（vanillic acid）和表兒茶酸（epicatechin），此研究同時發(fā)現(xiàn)使用乙醇作夾帶劑，可增加沒食子酸和表兒茶酸的提取量[35]。

4展望

隨著當今社會高度發(fā)展，維護和保持一個可持續(xù)發(fā)展的環(huán)境是人類共同的要求和期望，無論是環(huán)境保護，還是人們對天然產(chǎn)物和功能性食品的青睞，超臨界技術將擁有更為廣闊的發(fā)展空間。將該技術應用于葡萄酒渣中功能性成分的提取過程，實現(xiàn)了葡萄酒產(chǎn)業(yè)廢物的資源化，這必將成為葡萄酒加工產(chǎn)業(yè)增值的新方向。

目前，我國的超臨界CO2萃取技術發(fā)展較快，雖初步具備了工業(yè)化生產(chǎn)的條件，但是與世界先進水平相比，尚存一定差距。超臨界萃取技術和設備由于投資和操作成本等問題，其工業(yè)化應用還受到一定的限制，隨著超臨界CO2萃取技術和裝備的不斷拓展與完善，超臨界萃取技術在釀酒廢棄物處理方面的應用將實現(xiàn)較大的突破。

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Application of Supercritical CO2on the Extraction of Functional Components from W inery Wastes

SONG Jin-hui，LIShuang-shi*，MAYue，CAOQi-guang，XIEGuo-li
(College of Bioengineering，Beijing Polytechnic，Beijing 100029，China)

There are large amounts of winery wastes generated in industrial wine production.Winery wastes contain high levels of functional components that can act as antioxidants and have health-promoting activities. Supercritical CO2extraction technique is a new technique that concludes rectification and extraction processes，by which high and good quality products can be separated.This paper summarizes the supercritical CO2 extraction technological principle，characteristics and its application on the extraction of functional components from winery wastes.It would provide scientific foundations for utilization of winery wastes.

winery wastes；supercritical CO2；functional components

10.3969/j.issn.1005-6521.2014.012.030

2013-05-05

北京市教育委員會科技計劃面上項目專項資助課題（SQKM201210858001）；北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目（PXM2014-014306-000051）

宋金慧（1982—），女（漢），助教，碩士，研究方向：食品營養(yǎng)。

*通信作者：李雙石（1980—），女，副教授，博士，研究方向：食品生物技術。