《食品科学》：兰州理工大学任海伟教授等：纳米纤维素的制备、结构性质及应用研究进展

近年来，随着化石能源的消耗以及人们对环境污染问题的日益关注，可再生生物质资源的材料化利用和高值化转化已成为学者们持续关注的热点。纤维素作为自然界分布最广、蕴藏量最为丰富的天然有机物，具有较高的聚合度，是由葡萄糖单体通过β-(1,4)-糖苷键组成的长链线性多糖(C 6 H 10 O 5 ) n 。纳米纤维素（NCC）是纳米级（≤100 nm）的纤维素材料，其优良的机械强度、生物相容性、可再生性使其成为新型绿色复合材料中极具应用潜力的可再生组分。纳米复合材料的特性是由纳米填料在聚合物介质中的扩散及其链接作用所决定的。为避免纳米颗粒之间的团聚以及增强填料和介质之间的连接能力，科研人员常常对NCC进行修饰改性，进而获得具有疏水或亲水特性的纤维素基复合材料。目前，有关NCC力学、光学以及屏障性能的研究与应用已经进入快速发展和相对成熟的阶段，主要应用集中在新型抗菌包装材料、可食用薄膜、食品改良剂等食品工业领域，组织工程、医用植入物与药物递送等生物医学领域，污染物吸附、分离材料等环保领域，以及新型电极材料等光电领域（图1）。而且，NCC在未来传感技术、超级电容器、金属纳米颗粒的绿色催化以及下一代阻燃剂研究中也充当着重要角色。

兰州理工大学生命科学与工程学院的任海伟、徐志航、范文广*等人详细介绍了NCC的结构性质与分类、原料来源及其结构表征方法，阐述了NCC的制备工艺和应用进展，结合文献计量学方法分析了当前NCC领域的研究热点，同时对未来发展方向进行展望，以期为NCC的开发利用提供参考。

01

NCC的结构与性质

NCC是通过化学、物理、生物或者几者相组合的手段处理天然纤维得到的直径不超过100 nm、长度可到微米级的纤维聚集体，通过分子间和分子内氢键相互连接（图2）。由于NCC所呈现出的独特形态结构（短棒状、网状、球形等）、高结晶度以及表面羟基间的氢键作用，使其本身具备较高的机械强度和水中可调的自组装能力，这在纤维素基复合材料的加工与合成过程中起着重要作用。研究表明，NCC晶体密度在1.5 g/cm3时的杨氏模量比单根玻璃纤维（70 GPa、2.6 g/cm3）更高，且高于钢质材料（200 GPa、8 g/cm3）。另外，NCC还有巨大的表面积与强大的黏合力，这也使其成为较理想的聚合物复合成分之一。

NCC的制备原料来源非常广泛，富含纤维素组分的各种生物质都可以作为其原料。早期常见的NCC生产原料主要是木材和棉花，但从可持续发展角度而言，木材是一种有限的自然资源，而且其生长周期长、资源相对短缺；而棉花主要用于纺织工业。因此，近年来许多学者将稻壳、秸秆、蔗渣、酒糟、茶渣、葡萄皮等农业废弃物作为NCC的生产原料（表1）。另一方面，NCC的物理化学性质与其来源密切相关，如稻壳制备的NCC长度为150～300 nm，直径约15～20 nm，结晶度为59%；玉米秸秆制备的NCC长度为168～610 nm，直径约4.3～10.1 nm，结晶度为50.04%。总之，生物基材料开发是木质纤维生物质高值化利用的一个重要方面，不仅能有效缓解农业生产加工废弃物带来的环境污染问题，也符合“十四五”生物经济发展规划“坚持生态优先”“发展面向绿色低碳的生物经济”等新政策的要求，更能广泛惠及乡村振兴、绿色发展、低碳清洁等国家战略。

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NCC的分类

根据尺寸大小和微观结构特点，NCC可分为CNC、CNF、BNC和ESC，其具体分类和特点如表2所示。CNC是通过酸解工艺去除纤维素纤维中无序部分（无定形区）而形成的具有高结晶度（54%～88%）的棒状纳米晶体，通常长度为100～500 nm，直径为2～20 nm。CNF是通过机械处理获得的一种NCC类型，由于机械处理工艺的局限性，CNF中依然存在非结晶区，因此相对CNC而言结晶度较低，尺寸更大。BNC是由醋酸菌属、土壤杆菌属等微生物培养发酵制得的一类纤维素，因其不受其他聚合物和功能基团的影响，所以BNC纯度和结晶度更高，但制备时间相对较长，约需两周左右。ESC常通过静电纺丝方法制备，微观形貌呈现致密交叉网状结构，直径较小，具有较高的力学强度。

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NCC的制备工艺与方法

NCC的制备方法包括利用生物（酶）、化学或物理等手段处理林木或农产品加工副产物等原料的“从上至下”法以及葡萄糖经过细菌生物合成的“从下至上”法。“从上至下”法是指采用物理、化学或生物方法对宏观物质进行超细化处理。“从下至上”法则恰与之相反，是指将原子或分子进行组装而得到所需尺寸的结构。此外，还可以通过静电纺丝法制备NCC。

3.1 预处理方法

对木材等木质纤维材料而言，不仅含有纤维素，还含有半纤维素和木质素，三者结合形成了致密的抗降解屏障网络结构（图3），这就使得在纤维素分离提取和NCC制备之前需要进行预处理，从而将半纤维素、木质素等组分脱除。常见的预处理方式有碱处理、离子液体处理和机械处理等。碱处理是最常用的半纤维素脱除方法之一，通过裂解半纤维素糖苷键使半纤维素脱落并溶于碱液从而达到去除目的。Ma Li等认为在高温高压（140～160 ℃、＞0.4 MPa）条件下进行碱处理比常规温度（100 ℃以下）更有效，常规温度下碱处理一般只能除掉小分子组分及半纤维素，而高温高压工况下的木质素脱除效果更佳。研究表明，木质纤维原料经碱处理后还需漂白处理脱除剩余木质素，最终获得纯纤维素。如利用亚氯酸钠或双氧水作为氧化剂去除剩余木质素，通常漂白过程需重复2～4 次才能确保木质素被完全除去。此外，蒸汽爆破预处理也被广泛应用，通过短时间内高压蒸汽急速喷出形成的巨大爆破力来破坏原料的表层结构，使半纤维素与木质素脱除，进而达到高效制备NCC的目的。相对于机械处理较高的能量消耗而言，化学预处理具有能耗低、效率高等优势。

3.2 化学法

酸水解法

酸水解法最早由Nickerson和Habrle于1947年提出，他们用盐酸或硫酸水解木材、棉絮制备得到NCC。目前，国内外学者已利用酸水解工艺（图4）从上千种植物原料中提取得到NCC，并发现NCC的尺寸、形貌以及结晶度等特性很大程度上取决于原料特征，结晶度高的原料往往会制备得到较高长径比（L/D）的纳米晶体。另一方面，酸水解工艺参数也是影响CNC尺寸的一个重要因素，原因在于酸水解工艺本质上是一个控制水解的过程，酸中释放的氢离子首先攻击纤维素无定形区，而结晶区纤维因结构致密，对酸具有很强抵抗性而得以保留；但反应时间过长或温度过高，纤维素结晶区同样能被水解得到小分子葡萄糖。Kargarzadeh等发现在洋麻制备NCC过程中，反应20 min和120 min时对应的NCC长度分别为（166.4±58.8）nm和（124.3±45.3）nm。而Xing Lida等以桉树为原料在硫酸质量分数分别为58%和64%时反应30 min的平均长度为（146.7±61.8）nm和（122.1±45.5）nm。可见，不同纤维素原料对酸的抵抗程度不同，选择适宜的酸水解条件对制备理想的CNC产品至关重要。

尽管酸水解制备工艺比较成熟，得到的NCC具有粒径分布均匀、分散性良好等特点，但由于制备过程中会产生大量废酸和杂质，不仅容易污染环境，而且对设备的耐腐蚀性要求较高，产物也比较难收集，因此需要引入清洁生产、HSE（健康-安全-环境）等环保措施。

2,2,6,6-四甲基哌啶氧化物氧化法

TEMPO氧化法也是较为常用的方法之一。TEMPO氧化性较弱，但可以选择性地将纤维素C6位伯羟基氧化为醛基和羧基，使纤维表面负电荷增加、产生静电斥力，从而有利于细纤束分解和微纤化。TEMPO氧化一般在温和的水浴环境中进行，反应完成后对纤维素进行简单机械处理即可获得NCC，大大减少了单纯机械处理的能源消耗。Salminen等采用TEMPO/NaBr/NaClO体系对微晶纤维素进行氧化处理，制备得到长度100～200 nm、直径10 nm的NCC。然而，该方法的缺点在于成本较高、过程复杂、重复性较低等，因此常与酶解、超声波、高压均质等方法组合使用。陈欢等采用TEMPO介导氧化联合高压均质法从柑橘皮渣中制得长度150 nm、直径约2.74 nm、晶型为I型的柑橘NCC，具有良好的持水力、持油力、胆固醇吸附力、葡萄糖吸附力等功能性质。

低共熔溶剂法

低共熔溶剂（DES）又称为离子液体，是由氢键受体（HBAs）和氢键供体（HBDs）按一定物质的量比混合而成的低共熔混合物，通过破坏纤维素内部氢键达到降解纤维素的目的，具有可生物降解、毒性低等优点，是一种新兴的绿色高效制备NCC方法。白有灿等利用氯化胆碱和聚乙二醇200-丙三醇构成的低共熔溶剂对桉木粉进行预处理，再按固液比1∶100将氯化胆碱和草酸二水合物混合DES在100 ℃下处理纤维4 h，最后高压均质获得直径10 nm、长度260 nm、结晶度60%的NCC。Li Peiyi等将豆渣与DES（草酸、甘油、尿素）在100 ℃条件下混合作用30～120 min，最终制得直径27 nm的NCC。

3.3 机械法

机械法 主要是依靠高压均质、湿 法研磨和冷冻破碎等方法产生的高强度机械外力（如冲击力、剪切力或摩擦力等）破坏纤维素内部结构，制得纳米尺寸纤维素纤维（表3）。高压均质法是利用高压均质机产生的瞬间高压剪切力将纤维素切断成微细纤维的过程，由于均质操作可重复进行，故能得到尺寸理想的NCC。Turbak等于上世纪90年代首次使用高压均质机制备NCC，但由于均质机工作阀孔径是微米级，物料通过时极易堵塞，故常与化学法（如TEMPO催化氧化法、磷酸酯化法等）组合使用，进而有效破坏纤维素分子间强烈的氢键网络，使之变得蓬松后再进行高压均质。祁明辉等采用硫酸水解辅助高压均质的方法从麦秸中制备得到直径约15 nm、结晶度67.99%的NCC。研磨法制备NCC是利用球磨机中钢珠的连续机械振荡来冲击破碎纤维原料，进而除去其表面的多余成分，达到制备NCC的目的。研磨法一般需要先经过碱处理使其溶涨，才能进一步提高研磨效率和制备得率。Baheti等通过行星式球磨机将碱处理后的黄麻纤维用直径10 mm钢珠干磨10 min，再用直径3 mm的钢珠湿法研磨3 h后，得到了直径约500 nm左右的NCC颗粒。冷冻破碎是将纤维素原料快速浸入液氮中，通过冰晶的压缩作用导致细胞壁组织结构破裂，并在高剪切力作用影响下使原料表面被剥落破坏，最终获得NCC。通过机械法制备的CNF由于包含非晶和结晶纤维素域，结晶度较低并且因其纤维状的微观结构使其更容易形成密集的网络结构，进而延长了水蒸气和氧气的渗透路径，而且CNF容易进行表面修饰，使其在阻隔膜领域的研究相对于CNC更为广泛和深入。

3.4 酶解法

酶解法是一种绿色环保的方法，利用具有特定分解功能的酶制剂对纤维素表面的木质素或半纤维素等杂质以及纤维素无定形区进行特定消除，即可获得具有较高结晶度的NCC。常用的酶制剂一般由内切葡聚糖苷酶、外切葡聚糖苷酶、β-葡萄糖苷酶组成，内切葡聚糖酶可以降解纤维素的无定形区域，而β-葡萄糖苷酶可以攻击纤维素的低结晶部分。这两种类型的酶对于降解纤维素具有协同作用。Aguiar等利用多酶混合剂从甘蔗渣和甘蔗秸秆中酶解96 h后分别得到直径为（8.4±3.6）nm和（8.7±3.4）nm的棒状CNC，最高得率分别达到11.3%和12.0%。酶解法生产的NCC具有分子质量均匀、长径比大等优点，但酶解反应过程对反应底物、温度等条件都有严格要求，且制备时间较长。

3.5 微生物法

微生物法主要利用木醋杆菌、根瘤农杆菌、固氮菌属、根瘤菌等细菌合成BNC。BNC的合成是一个精密且复杂的过程，涉及大量单酶、复合催化及调节蛋白等。以木醋杆菌为例，首先利用葡萄糖等作为碳源生成脲苷二磷酸葡萄糖，然后通过纤维素合成酶将葡萄糖聚合成无支链的长链（β-1,4-葡萄糖苷链），其中葡萄糖的聚合过程是一个重要的步骤，木醋杆菌形成的纤维素并不是细胞壁的一部分，而是通过细胞壁的纤维素喷嘴分泌到菌体外，并在体外不断积累聚合成NCC（图5）。BNC的化学结构和天然纤维素一样，但与植物纤维素相比没有半纤维素、果胶和木质素等杂质成分，因此具有更强的包裹能力和良好的生物降解性。此外，BNC的一个重要特点是可以原位控制纤维素的形成，如通过调节菌种、反应器形状及构成、培养基组成等参数来优化生物合成过程中BNC产品的形状及其超分子结构。

3.6 静电纺丝法

静电纺丝技术是一种能直接制备纳米纤维的方法，利用有机溶剂将改性纤维素如醋酸纤维素、羟乙基纤维素等溶解，再电纺出高比表面积、具有多孔结构的纤维。由于静电纺丝具有可连续性等特点，制备的纤维多呈现聚集薄膜形态。Kim等将纤维素溶解在含有离子液体的混合溶剂体系中再电纺成直径约250～750 nm的再生纤维素膜，该纤维素结构大部分为无定形状态，并且可以通过调整纺丝条件来控制结晶度。此外，静电纺丝中纤维素溶液的浓度、溶剂以及纤维素聚合度对于其成品性质也有重要影响。王栋等利用静电纺丝技术制备了纤维素纳米晶体/壳聚糖-聚乙烯醇复合材料，当CNC质量分数为3%时复合纤维的力学性能最好，杨氏模型（E）和抗拉强度（σ）较未添加CNC的复合材料分别提高了43.9%和24.8%；但当CNC质量分数为20%时电纺液的黏度变大，导致电纺复合纳米纤维的直径分布不均匀，单根纤维表面存在少量的球状结构物质。

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NCC的结构表征方法

NCC的结构、形态及尺寸与产品质量密切相关，直接影响制备材料的物理化学性能。因此，针对NCC的性能以及在微观层面的各种测试与表征技术也是NCC研究的一个重要方面。目前常用的表征方法包括原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（T E M）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等（表4），通过这些表征技术使NCC的微观结构与性质特点得以全面呈现（图6），进而为科研人员在新材料研制和开发、材料性能改进以及材料可靠性评价等方面构建完备的检测体系。

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NCC的改性方法

由于NCC具有较高的比表面积，且表面含有大量羟基，冷冻干燥后粒子之间很容易发生团聚现象，使其很难分散于有机溶剂。另外，NCC的亲水性较强，这种亲水倾向限制了其在复合材料中的应用。为提高NCC的分散性和生物兼容性，常使用表面改性方法在其表面引入稳定电荷或对其表面小分子进行修饰，进而在应用中起到特定效果（表5）。

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NCC在食品中的应用

6.1 作为增强剂用于活性包装材料

NCC具有较高机械强度、较大长径比、生物可降解及天然无毒等特点，使其成为食品包装材料中应用最为广泛的增强剂之一。George等发现在聚乙烯醇中加入质量分数4%的CNC能使其抗拉强度提高50%左右。Yu Houyong等发现在3-羟基丁酸酯与3-羟基戊酸酯的共聚物中加入质量分数10%的CNC使其杨氏模型提高了250%。另外，Sundaram等以CNFs、壳聚糖和S-亚硝基-N-乙酰-D-青霉胺为原料混合制备得到具有优良机械强度和抗菌性能的生物降解薄膜，这种膜材料对粪肠球菌（Enterococcus faecalis）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）等微生物具有良好抑制作用。Atta等报道了一种可用于食品包装应用的酵母纤维素基薄膜，发现该薄膜对体外NIH 3T3细胞无毒性，并能延长橙子、番茄等水果货架期。Cazón等以NCC、甘油及聚乙烯醇为原料制备得到了一种韧性能达到44.30 MJ/m3的生物降解复合膜，而且添加的甘油成分还能阻隔部分紫外线，有助于防止食品脂质氧化变质等现象发生。

6.2 作为稳定改良剂用于食品生产

NCC还可以作为食品中的稳定改良剂。Velasquez-Cock等在冰激凌配方中加入0.3%的CNF有助于在室温下保持其原来形状，并提高冰激凌的黏度和感官特性。Gerrits等将微晶纤维素与NCC进行复配后配合酪蛋白酸钠溶液来稳定酒体中坚果颗粒，最终制备出坚果风味白酒。

Pickering乳液是一种在不含任何表面活性剂情况下，固体颗粒被吸附在油-水界面上的稳定乳液。Pickering乳液由于能被糖、蛋白质和脂质等固体颗粒所稳定而具有良好的结构稳定性和生物相容性，使其在乳制品等食品应用中有着重要的作用。NCC因其具有足够的界面活性和天然安全等特性，常作为稳定剂加入食品级Pickering乳液中。梁爽等采用汽爆耦合TEMPO法从玉米芯中制得能有效提高Pickering乳液稳定性的球状和棒状NCC。另一方面，含油脂多的食品在贮藏期间容易发生油脂氧化，导致营养成分损失和异味产生，而通过CNC稳定的Pickering乳液能用来提高油脂氧化稳定性。Angkuratipakorn等制备得到包含有CNC和精氨酸月桂酸酯复合颗粒的Pickering乳液，发现添加0.2% CNC和0.1%月桂酸脂形成的复合颗粒能有效延缓乳液中油脂氧化。

6.3 作为功能性食品成分

功能性食品是指通过添加新成分使食品具有额外促进健康或预防疾病功能的一类食品。纤维素作为第七大营养素，是维持健康不可缺少的要素，它能软化肠内物质、刺激胃壁蠕动、辅助排便、降低血液中胆固醇和葡萄糖吸收，因此NCC也可作为一种功能性食品配料。Liu Lingling等对CNF表面进行接枝改性，制备得到一种具有很强吸油能力的新型膳食纤维。此外，在控制食品黏度和葡萄糖吸收的研究中发现，NCC能明显抑制葡萄糖扩散，推迟淀粉分解，在一定意义上能起到“减肥”功效。另一方面，由于人体系统中不存在纤维素酶，纤维素制成的涂层可以承受人体胃肠道内的不利条件，并保护封装的生物活性化合物，如维生素、ω-3-脂肪酸、姜黄素和益生菌等。

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基于文献计量法分析NCC领域热点

本文收集1995—2021年期间Web of Science（WoS）和中国知网（CNKI）数据库中有关NCC的研究文献进行关键词分析，并深入探究文献研究内容和该领域的研究热点。

7.1 WoS关键词分析

WoS数据库检索检索式：TS＝（nanocellulose OR cellulose nanocrystals OR nanofibrillated cellulose OR microfibrillated cellulose OR bacterial nanocellulose OR cellulose nanowhisker OR cellulose nanofibril）OR TS＝（nanocellulose）AND TS＝（material OR ploymer OR compound）time span＝1995—2021索引＝SCIEXPANDED，论文类型选择Article。共检索到12 658 篇论文，将其导入VOSviewer软件对关键词进行可视化分析。

图7为主要关键词可视化图谱，圆圈大小代表关键词频次，频次越高，圆圈越大，相同颜色代表同一聚类。由图7可知，nanocellulose（NCC）、microfibrillated cellulose（微纤化纤维素）、nanoparticle（纳米粒子）、nanofiber（纳米纤维）是学者们经常使用的关键词。nanocomposite（纳米聚合物）、composite（聚合物）、film（膜）、mechanical property（机械性能）等关键词反映了NCC能作为辅助成分加入到聚合物材料的制备和性能改善研究中，功能作用主要体现在调节聚合物材料的机械强度等方面，这与NCC所具有的高长径比、质轻等特征有密切关系。extraction（提取）、fabrication（制备）、adsorption（吸附）等关键词则注重强调NCC本身所具有的特征性质，即NCC的制备过程以及微观层面表现出的多孔、易聚积等特性。以chitosan（壳聚糖）、crosslinking（交联）为代表的一类关键词则说明通过NCC与天然抗菌物质在化学结构上的连接，可以制备新型纤维素基天然抗菌材料，这也是当前该领域的前沿热点。

7.2 CNKI关键词分析

CNKI数据库检索式：SU＝‘纳米纤维素’OR‘纤维素纳米晶’OR‘纳纤化纤维素’OR‘微纤化纤维素’OR‘细菌纤维素’OR‘纤维素纳米晶须’OR‘纤维素纳米纤丝’OR‘纳米纤维素材料’。将检索的742 篇中文研究性文献导入VOSviewer软件分析，设置阈值5，结合文献去重，最终得到关键词43 个。由图8可知，“气凝胶”“水凝胶”“复合材料”等关键词的共现频率较高，说明NCC在材料学领域的应用较为广泛。“tempo氧化”“静电纺丝”则代表了当前较为先进的制备方法。“聚乙烯醇”“壳聚糖”等则是代表了NCC基复合材料的常见组分。以“力学性能”“吸附”“阻隔性能”为代表的关键词则反映了NCC在材料应用中的良好性质。

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结 语

NCC因其质轻、可再生、可降解、生物相容、环境友好等特性备受关注，尤其在食品包装材料、生物医学、光电材料、环境保护等领域已展现出良好应用价值，相关研究机构和公司均致力于NCC的规模化生产和商业化应用，以加速其产业化进程。加拿大研究机构FPInnovations与企业Kruger合作建立了首条基于机械研磨方式的大型纤维素纤丝生产示范线（5 t/d），并将其应用于全废纸包装纸、含机械浆的轻质涂布纸和卫生纸等产品，以提高产品强度，减少原纤维用量。日本王子控股株式会社和三菱化学集团株式会社联合推出了可用于大型柔性显示器和太阳能电池的商业化CNF薄膜。芬兰国家技术研究中心和Aalto大学等研究机构与企业合作研发了CNF基塑料薄膜材料，用于食品包装和防腐阻燃涂层。

相对而言，我国NCC的商业化、市场化发展仍然存在许多挑战和困难。首先是原料利用率过低，由于不同制备原料的性质存在差异，构建生产线时就必须调整其制备条件以适应原料特性，这就间接增加了生产成本。其次在制备阶段，化学法无疑是最有效也是最方便的制备方式，但是产生的废弃化学溶剂容易对环境造成危害。即使是BNC的大规模生产也存在困难，原因是搭建适宜的生产环境需要极其精细的调控条件，而且还存在细菌产出时间长、产量低等缺陷。再者，由于各种改性NCC材料对应用对象的毒性尚不清楚，因而可能会造成一定的经济和管理障碍，影响其市场应用。因此，NCC今后的研究重点应该首先强化纤维素相关产业之间的协调合作，推动开发成本与性能特点兼具的NCC产品，同时研发绿色环保的新型制备方法和清洁生产模式，从而加速推进NCC从实验室走向工业化或规模化生产。

本文《纳米纤维素的制备、结构性质及应用研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷18期239-248页. 作者：任海伟，徐志航，邢雪晔，路力榕，范文广，张丙云，王永刚. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220524-303. 点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。

实习编辑：李雄；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网。

非热加工专栏：江苏大学邹小波、石吉勇教授等：米糠非热稳定化处理技术研究进展