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芡(Euryale ferox)屬睡蓮科(Nymphaeaceae)芡屬(Euryale)一年生大型水生植物,芡實是其種仁,俗稱雞頭米,在中國安徽、江西、江蘇、廣東、湖北、山東等地均有規模化種植,安徽芡實主要分布在水資源豐富的天長、明光、安慶、巢湖等地。芡實富含淀粉(77.5%~78.1%)、蛋白質(9.96%),與谷物類似。此外,芡實中含有多糖、多酚等生物活性成分。現代藥理學研究證實,芡實具有抗氧化、降血糖及調節腸道菌群等功效。
芡實富含淀粉,卻顯示降血糖功效,引起研究者對其淀粉理化功能性質的格外關注。現有研究表明,芡實淀粉(ES)平均粒徑2.29 μm,屬超微小顆粒淀粉,具有A型結晶,相對結晶度(RC)38.84%,直鏈淀粉相對含量為37.66%~48.30%,明顯高于同為小顆粒淀粉的大米淀粉(25.8%)。此外,與常見谷物淀粉相比,ES具有較高的起糊溫度(84.69 ℃)和糊化焓(1 576.0 J/g)。上述結果也部分揭示了芡實加工中“難糊化、易老化”等現象的原因。
蛋白質和淀粉是芡實中含量最豐富的營養組分。蛋白質和淀粉的相互作用,直接影響食品的功能性質及消化吸收。目前,有關蛋白質對ES理化功能性質影響的文獻很少。因此,安徽大學生命科學與醫學工程學院的陳娟、陸雅媚,滁州學院生物與食品工程學院的張汆*等擬選擇乳清蛋白(WP)、大米蛋白(RP)和谷朊粉(GP)3種常見的膳食蛋白為材料,采用快速黏度分析(RVA)、掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線衍射(XRD)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、流變學分析、化學鍵組成分析等方法,分析不同來源的蛋白質對ES理化功能性質的影響規律,探討蛋白質與ES在混合凝膠體系中的分子間相互作用,以期為芡實的加工利用提供理論依據。
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01
主要營養組分含量
表1顯示,EF中主要營養組分為淀粉(84.62%)和蛋白質(9.92%),與谷物接近,屬典型淀粉基材料。EF中脂肪質量分數為0.47%,低于一般大米(1.3%)。采用酶法制備的ES樣品中,淀粉質量分數94.38%,殘余蛋白質量分數1.06%,其中直鏈淀粉占淀粉質量的39.59%,低于Zhang Li等報道的45.85%。原因在于實驗中所用材料為蘇芡,而Zhang Li等用的余干芡實為刺芡,也稱北芡。不同芡實品種間直支鏈淀粉含量差異很大。ES直鏈淀粉和支鏈淀粉分子質量分別為1.85×105 Da和3.00×103 Da。直、支鏈淀粉的分子質量也與淀粉的理化功能性質密切相關,如大米支鏈淀粉分子質量與其糊化峰黏度、衰減值和膨脹力等呈正相關。
WP、RP、GP等樣品中蛋白質量分數均在90%以上。其溶解度差異顯著,其中,WP的溶解度最高,達89.81%,RP和GP分別為11.72%和4.16%(表1)。這3種蛋白質的結構和性質差異明顯,WP主要包括α-乳白蛋白、免疫球蛋白和牛血清白蛋白等組分。其中α-乳白蛋白和β-乳球蛋白分子質量分別為14.2 kDa和18.4 kDa,占乳清蛋白分子總量的80%;RP以谷蛋白和少量醇溶蛋白為主,谷蛋白有兩個亞基,分子質量分別為20.6~25 kDa和28.5~38 kDa。RP中胱氨酸含量較高,含較多—S—S—鍵,可促使蛋白質分子間聚集。GP主要由麥谷蛋白和麥醇溶蛋白組成,麥谷蛋白包括高分子質量麥谷蛋白和低分子質量麥谷蛋白,分子質量分別為80~130 kDa和10~70 kDa,麥醇溶蛋白分子質量為30~50 kDa和45~75 kDa,水溶性差,但可在水中可相互作用形成黏彈性凝膠。總之,這3種性質差異明顯的蛋白質,會以不同的方式影響ES的糊化過程,也有助于其作用機制的分析。
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02
樣品的形態和粒徑
借助SEM發現EF中含有大量球狀聚合體結構,其直徑為20~30 μm(圖1A),與Kumar等的描述一致。采用低溫蛋白酶法制備的ES表面光滑、呈多角形,粒徑為1~5 μm(圖1B),與大米淀粉接近,屬超小顆粒淀粉。SEM圖片顯示,ES糊化所形成凝膠,主要由網狀骨架和氣泡狀薄膜組成。其網狀結構均勻,網孔大小規則,氣泡狀薄膜表面光滑,厚薄均勻(圖1C),與小麥淀粉凝膠結構類似。
如圖1D~F所示,添加5%~15%的WP對ES凝膠網孔大小和均勻性影響較小,但氣泡狀薄膜表面出現較多碎裂,提示其質地結構變薄、變脆,表明其柔韌性明顯降低。王然認為WP可通過靜電作用均勻吸附于淀粉分子表面,進而阻礙淀粉分子內或分子間氫鍵的定向排列。因此,WP添加不利于ES凝膠的形成,減弱了直支鏈淀粉分子間的相互作用。在RP添加組,隨添加量增加,ES凝膠網狀骨架結構逐漸增粗,氣泡狀薄膜碎裂,且網孔明顯變小(圖1G~I),顯示凝膠的延伸性明顯降低。推測與RP的疏水性較強有關,隨RP添加量增加,蛋白質分子間相互作用加強,阻礙蛋白質分子與淀粉分子的相互作用。圖1J~L顯示,隨GP添加量增加,ES凝膠中的網狀骨架結構和氣泡狀薄膜結構均得到加強,網孔的均勻性降低,但仍能保持網狀結構的基本完整。與RP不同,GP在水中能夠形成黏彈性網絡結構。因此,GP的添加,雖然抑制了ES中直鏈淀粉與支鏈淀粉分子間相互作用,但GP可通過氫鍵迅速嵌入淀粉分子間,參與網絡骨架的形成。此外,在圖1L中,網絡骨架結構明顯增粗,這對維持網絡結構的完整有積極作用。
淀粉凝膠網絡的形成及其強度取決于其中直鏈和支鏈淀粉分子間的相互作用。蛋白質添加,首先會因競爭性吸水抑制淀粉凝膠的形成;此外,因蛋白質分子與淀粉分子間相互作用、蛋白質分子間相互作用,從而影響淀粉凝膠的均勻性、柔韌性和強度。
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03
XRD分析
圖2中,ES的XRD圖譜在2θ 15.36°、17.37°、18.14°、23.27°等處有較強的衍射峰,屬于A型晶型,其RC為38.85%。該結果與Zhang Li等的研究結果接近。XRD分析結果表明,ES中分別添加5%~15%的WP、RP、GP等膳食蛋白不影響ES的晶型,但對RC有顯著影響。隨蛋白質添加量增加,其RC值均呈顯著降低趨勢,最大降低幅度分別為3.71%、3.30%和2.47%。XRD結果顯示,3種外源蛋白質幾乎不存在衍射峰,說明其并不具備晶體結構。研究表明,添加的外源蛋白質和ES間結構松散,與芡實組織中的內源芡實蛋白在存在形式、與淀粉分子間相互作用均有很大差異。對于原淀粉而言,其晶體結構主要源于其支鏈淀粉分子形成的結晶區。由此推測,隨著ES中蛋白質添加量的增加,樣品中淀粉的相對含量隨之降低,這是導致其RC顯著降低的主要原因。
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04
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圖3和表2結果顯示,WP、RP和GP 3種膳食蛋白的添加對ES的糊化性質有顯著影響,且不同蛋白質添加組間存在明顯差異。5%~15%的WP添加會顯著降低ES的糊化黏度,其峰黏度、谷黏度和終黏度分別從6 258.3、4 168.3、5 992.9 cP降低至3 160.3、1 991.5、2 258.8 cP,分別降低了49.50%、52.22%和62.31%。回生值從1 824.1 cP降至267.3 cP,降低85.35%。但ES的起糊溫度和峰值時間變化不大,表明添加WP可顯著降低ES糊化黏度,并明顯抑制其老化。Sopade等在分析WP和小麥淀粉的相互作用時發現,WP可通過吸附在淀粉顆粒表面,抑制淀粉分子的吸水溶脹,導致峰黏度降低和衰減值下降。這與WP的高水溶性密切相關(表1),可以氫鍵與淀粉分子相互作用并迅速在淀粉顆粒表面擴散吸附。
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隨著RP添加量增加,ES樣品黏度顯著降低,但降低幅度明顯低于WP。與WP相比,RP添加對ES的起糊溫度和峰值時間影響很大。隨添加量增加,ES起糊溫度顯著升高(80.8 ℃→90.4 ℃)、峰值時間從5.5 min延長至7.0 min。表明RP的添加可顯著抑制或延緩ES的糊化過程。RP添加對ES糊化的影響明顯不同于WP,推測與其水不溶性有關。一方面,RP中的谷蛋白和醇溶蛋白可與ES淀粉中的疏水基團結合,影響ES分子間相互作用;同時,疏水性RP分子可以空間位阻作用減少ES分子與水的相互作用,延緩ES的糊化進程。如圖3C和表2所示,GP對ES糊化性質的影響趨勢與WP相似,即顯著降低ES黏度,但起糊溫度和峰值時間變化相對較小。WP添加可使ES起糊溫度發生緩慢降低(80.8 ℃→79.2 ℃),而GP添加會使ES的起糊溫度升高(80.8 ℃→81.6 ℃)。推測與GP中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白吸水后會形成黏彈性凝膠有關,疏水性蛋白質主要通過其空間位阻和競爭性吸水的方式限制淀粉顆粒的吸水溶脹,從而抑制淀粉的糊化和老化,并導致其黏度降低。
研究結果表明,WP、RP和GP 3種膳食蛋白添加,均可顯著降低ES黏度,延緩其老化。但WP在降低ES糊黏度和抑制其老化方面效果顯著;RP可顯著抑制ES的糊化,使其起糊溫度顯著升高,峰值時間顯著延長,對ES糊化進程的延遲效應明顯;GP對ES糊化過程的影響趨勢與WP類似,但變化幅度較小。
DSC分析結果顯示,ES的糊化焓變(ΔH)為2.71 J/g,To、Tp和Tc分別為74.11、78.50、84.33 ℃(表2)。該結果中的ΔH明顯高于Yang Yuexi等報道的1.31 J/g,但糊化溫度比較接近(71.85、76.68、84.8 ℃)。推測與芡實原料的差異有關,如品種、貯藏時間。據Wang Hongwei等報道新鮮大米淀粉的ΔH為15.0 J/g,經長期貯藏后,其ΔH會顯著降低至12.9 J/g(3年),均遠高于ES。隨蛋白質添加量增加,樣品ΔH均呈先顯著增加后降低的趨勢,WP在添加10%時達到最高,RP和GP在添加5%時達到最高。繼續添加蛋白質,會導致ΔH呈明顯降低(表2)。此外,添加蛋白質,會顯著升高ES的糊化溫度,其中,To在10%添加量時均呈明顯降低,添加量至15%時均顯著升高;隨蛋白質添加量增加,Tp和Tc的變化趨勢與To相似,但變化幅度明顯減小。總體而言,ES中添加5%~15%不同來源的3種蛋白質,會抑制ES的糊化過程。其中水溶性WP可通過在淀粉顆粒表面形成網狀結構,抑制淀粉的吸水溶脹和糊化,而水不溶性RP和GP,會以空間位阻效應阻止水分的進入和淀粉分子間相互作用抑制淀粉的糊化。
05
FTIR與分子短程有序性分析
5.1 FTIR分析
如圖4所示,3種蛋白質添加對ES樣品FTIR圖譜的影響都非常相似。其圖譜中,在3 398、2 927 cm-1和1 647 cm-1等處均有較強的吸收峰,分別由—OH、C—H拉伸振動和H—O—H以及C=O產生。其中,3 398 cm-1處寬且強的吸收峰,是多聚體分子間典型的羥基特征峰,說明淀粉分子間的晶體是通過氫鍵緊密連接。隨蛋白質添加量增加,在1 533 cm-1處的吸收峰明顯增強,此處是由蛋白質酰胺II的彎曲振動和伸縮振動產生的特征吸收。總之,3種蛋白質添加,并未產生新的化學鍵和基團。
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5.2 分子短程有序性分析
FTIR圖譜中,在1 047 cm-1和1 022 cm-1處的峰強分別代表淀粉的結晶區和無定形區,其比值(R1 047/1 022)可評估淀粉短程有序性。FTIR圖譜經去卷積化處理(圖5A),計算R1 047/1 022的結果見圖5B。結果顯示,添加5%蛋白質后,ES樣品的R1 047/1 022值急劇降低,表明其分子短程有序性顯著降低(P<0.05)。繼續增加蛋白質添加量(5%→15%),其R1 047/1 022值基本保持不變,維持在接近1的水平,該現象在3種膳食蛋白添加組中均存在。說明低于5%的蛋白質添加即可使ES分子短程有序性發生明顯變化。結果表明,添加WP、RP、GP會顯著干擾ES分子間原有結合及排列方式致使其分子短程有序性顯著降低。推測蛋白質分子會破壞淀粉分子局部雙螺旋結構,淀粉分子間氫鍵結合減弱,淀粉顆粒中原本有序的部分區域轉變為無序狀態,結晶區穩定性降低。水溶性WP可與ES分子間通過氫鍵相互作用,會抑制淀粉分子間局部聚集,阻礙其有序排列。疏水性的RP和GP中,除了少量極性氨基酸殘基可與淀粉分子中的羥基形成氫鍵,限制其分子鏈的隨機運動,也可通過其疏水相互作用和空間位阻影響淀粉分子雙螺旋結構的穩定。
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06
流變學性質分析
圖6結果顯示,ES樣品的G’和G”均很低,其中G’在10 Pa左右,G”在0~1 Pa,隨角頻率升高,G’和G”均無明顯增加。說明在10%的淀粉質量分數下,ES樣品凝膠的彈性和黏性均較低。
添加蛋白質可顯著增加ES的G’和G”,其中,同等添加水平下,增加最明顯的是WP,其次是RP,GP增幅最小。添加5% WP時,即可快速增加ES凝膠的G’,繼續增加WP至10%、15%,其G’增幅很小。G”隨WP添加量增加,也呈明顯增加趨勢,當角頻率高于40 rad/s以后增加不明顯(圖6A)。RP樣品組中,隨著蛋白質添加量和角頻率增加,ES樣品G’和G”均呈明顯增加趨勢,當角頻率高于30 rad/s以后增加不明顯(圖6B)。隨著GP添加量增加以及角頻率升高,ES樣品的G’和G”也呈明顯增加趨勢,且與GP添加量和角頻率呈現較好的相關性(圖6C)。此外,所有樣品的G’始終明顯高于其G”,說明蛋白質與ES所形成的凝膠體系以彈性為主,屬于強凝膠結構。
WP為水溶性蛋白,其分子可充分伸展,暴露出更多位點與ES分子相互作用,利于形成均勻的凝膠體系。RP和GP主要由谷蛋白和醇溶蛋白組成,疏水性均較強。Li Xianghong等認為RP中富含亮氨酸、苯丙氨酸等疏水性氨基酸,難溶于水,導致其分子鏈難以充分伸展和交聯,進而削弱ES凝膠的彈性和黏性響應。GP遇水會形成面筋網絡,其中的麥谷蛋白通過分子間二硫鍵交聯與醇溶蛋白協同形成連續三維網絡,ES淀粉顆粒會被束縛與三維網絡之中,致使其凝膠形成過程中需要更多的能量和更高的溫度。這與RVA(圖3、表2)中RP和GP添加會使ES起糊溫度顯著增加的結果一致。
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07
化學鍵組成
7.1 表面疏水性
圖7顯示,WP、RP和GP 3種蛋白質添加后,ES凝膠體系的表面疏水性均有不同程度的增加。其中,WP添加量10%時體系表面疏水性達到最高,繼續添加WP至15%時,體系表面疏水性顯著降低,甚至低于ES(圖7A)。WP為水溶性蛋白,其表面疏水性為89.2(圖7D),在3種蛋白質中最低。將WP與ES混合,淀粉分子以氫鍵結合促使其分子伸展,暴露內部疏水基團,從而導致體系表面疏水性增加。當WP添加量較高時,WP分子中的半胱氨酸和甲硫氨酸會形成二硫鍵而導致蛋白質分子間發生交聯。蛋白質分子間相互作用加強,則淀粉與蛋白質分子間相互作用會減弱,使原來暴露的疏水基團減少。該現象可看作是蛋白質分子間一定程度的聚集所致。
隨RP添加量增加,ES凝膠體系的表面疏水性呈顯著增加趨勢(圖7B)。RP主要以谷蛋白為主,含有亮氨酸、苯丙氨酸等疏水性氨基酸,其表面疏水性較高,為215.7(圖7D)。因此,RP的添加必然會增加體系的表面疏水性。此外,據報道,RP可與ES中的直鏈淀粉分子以氫鍵結合,形成V型復合物,可促進其疏水基團的暴露。同時,也提示RP分子間相互作用較弱,這與WP和GP不同。3種蛋白質中,GP的表面疏水性最高,達321.2,顯著高于WP和RP(圖7D)。圖7C顯示,隨GP添加量的增加,體系的表面疏水性呈現先增加后降低的趨勢,與WP添加的結果類似,但變化幅度更小。推測是GP中的麥醇溶蛋白更容易暴露其內部疏水區域,使凝膠體系疏水性增加。當添加量較高時(15%),GP中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白大量水合,在二硫鍵、疏水作用、氫鍵等作用下蛋白質分子間相互作用形成黏彈性凝膠結構,這種蛋白質分子間網絡結構會減少疏水基團的暴露,從而使體系表面疏水性降低。
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7.2 化學鍵組成
圖8顯示,ES凝膠體系中的化學鍵以疏水相互作用為主,其次是離子鍵和氫鍵。添加WP、RP和GP等膳食蛋白后,ES凝膠體系中原有化學鍵比例及變化趨勢均發生顯著變化,但仍以疏水相互作用為主。說明無論是單一淀粉體系,還是蛋白質與淀粉的混合體系,疏水相互作用都是穩定凝膠體系的主要化學鍵。這與凝膠體系本身的結構特性有關,即凝膠體系中疏水相互作用會促使大分子間的相互作用,加強凝膠體系的骨架結構,進而加強凝膠的穩定性。
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隨WP添加量增加,疏水相互作用呈現先降低后升高趨勢,在WP為10%時達到最低,離子鍵和氫鍵含量變化不顯著(圖8A)。王然認水溶性的WP分子可通過靜電作用均勻吸附于淀粉表面,在凝膠體系中形成連續蛋白層,該過程產生的空間位阻效應顯著抑制淀粉分子內或分子間氫鍵的定向排列。Zhao Meng等認為WP還可以通過促進二硫鍵的形成和靜電相互作用,減弱疏水相互作用,改善凝膠的熱穩定性。圖8B中,隨RP添加量增加,體系中疏水相互作用和離子鍵顯著增強,氫鍵作用增加不明顯。推測與RP中含有大量疏水結構域有關,當蛋白質濃度升高時,體系中蛋白質分子間碰撞概率增加,促使分子中疏水基團暴露。如圖8C所示,添加5%的GP即可顯著增加體系中的疏水相互作用和氫鍵(P<0.05),但繼續增加GP添加量,增加不明顯。GP中的麥谷蛋白和麥醇溶蛋白遇水后,可通過疏水相互作用和氫鍵形成較強的三維網絡結構,對原有ES凝膠體系有明顯加強。
08
結論
添加5%~15%的WP、RP和GP,會對ES凝膠的微觀結構、RC、糊化性質、流變學性質等產生明顯影響,具體如下:
1)添加蛋白質會顯著降低ES凝膠結構的均勻性和柔韌性;顯著降低ES的RC;WP可明顯降低ES的黏度和回生值;RP和GP會延緩ES的糊化進程,使其起糊溫度明顯升高(P<0.05)。
2)蛋白質與ES的混合,不會產生新的化學鍵或基團,但可顯著降低淀粉分子的短程有序性和RC。添加蛋白質可使ES凝膠體系的G’和G”明顯升高。蛋白質添加,可使ES凝膠體系的表面疏水性有不同程度的增加,不同蛋白質間存在明顯差異;此外,蛋白質添加會明顯影響ES凝膠體系中的化學鍵組成,隨添加量增加,疏水相互作用和氫鍵明顯增加。表面疏水性和疏水相互作用的加強,有利于ES凝膠體系的穩定。
作者簡介
通信作者:
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張汆,滁州學院生物與食品工程學院 博士,教授。2007年6月畢業于西北農林科技大學食品科學與工程專業,獲工學博士學位。同年7月-至今,在滁州學院生物與食品工程學院從事食品科學專業的教學和科研工作。工作期間,先后主持或參與各類教學研究項目10余項,主持安徽省教育廳項目4 項,省高校學科(專業)拔尖人才學術資助項目1 項,滁州市科技計劃項目4 項,參與農業部公益性行業(農業)科研專項1 項,編寫專著3 部,獲農業部“中華農業科技獎”二等獎1 項,獲授權發明專利4 項,獲省級芡實新品種鑒定4 個,發表科研論文40余篇。主要研究方向:食品化學與營養學、特色農產品深加工及其資源綜合利用等。
第一作者:
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陳娟,安徽大學生命科學與醫學工程學院生物與醫藥碩士研究生。主要研究方向為食品化學與功能性質的研究,在《食品科學》《European Food Research and Technology》《中國糧油學報》等核心期刊發表學術論文數篇,聚焦食品化學方向的研究與應用,相關成果為食品行業技術升級提供參考。
引文格式:
陳娟, 陸雅媚, 孫婭娜, 等. 蛋白質對芡實淀粉理化功能性質的影響[J]. 食品科學, 2026, 47(5): 71-81. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250915-112.
CHEN Juan, LU Yamei, SUN Yana, et al. Effect of proteins on the physicochemical and functional properties of Euryale ferox starch[J]. Food Science, 2026, 47(5): 71-81. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20250915-112.
實習編輯:唐豫英;責任編輯:張睿梅。點擊下方閱讀原文即可查看全文。圖片來源于文章原文及攝圖網
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