膳食纖維粉體流動性與其顆粒結(jié)構(gòu)的關(guān)系

王 陽，顏才植，葉發(fā)銀，雷 琳，趙國華,2,*

（1.西南大學食品科學學院，重慶 400715；2.重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶 400715）

水不溶性膳食纖維因口感粗糙，往往在現(xiàn)代食品加工過程中被剔除，形成諸如麩皮、豆渣、米糠等富含膳食纖維食品加工剩余物[1-2]。而膳食纖維具有減肥、預防結(jié)腸癌、控制血糖、降低心血管疾病發(fā)生等功效，是預防現(xiàn)代文明病的關(guān)鍵食物成分，被譽為“第七大營養(yǎng)素”[3-4]。因此將這些富含膳食纖維的食品加工剩余物烘干、微細化處理，改善其適口性之后作為粉體食品配料回添到各種食品中，是當前開發(fā)高膳食纖維食品的重要途徑之一[5]。作為粉體，流動性對其生產(chǎn)、包裝、運輸和應用至關(guān)重要。研究表明，粉體的流動性與顆粒的大小、形狀、密度、表面硬度、孔隙結(jié)構(gòu)、水分含量以及顆粒間相互作用等密切相關(guān)[6-8]。但這種關(guān)系隨物料的不同而各異。Wu Gangcheng等[9]研究超微粉碎白鰱魚骨粉時發(fā)現(xiàn)，顆粒越小的骨粉流動性也越好；Smalley[10]的研究則發(fā)現(xiàn)石英砂粒徑為190 μm時具有最大的流動性，降低或增大顆粒尺寸都會導致粉體流動性下降。而Ye Fayin等[11]對柑橘皮渣膳食纖維粉以及Zhang Min等[12]對茶薪菇粉的研究發(fā)現(xiàn)，顆粒越小粉體的流動性越差。目前有關(guān)膳食纖維粉流動性與其顆粒結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究基本為案例式研究，不具有普遍意義。為此，本實驗以40 種購買或自制的常見膳食纖維粉體為研究對象，借助激光粒度散射儀、低溫氮氣吸附儀和相關(guān)分析等技術(shù)手段，揭示膳食纖維粉流動性與其顆粒結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系，為膳食纖維粉的合理加工提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

40 種膳食纖維原料：其中，來自香菇、玉米、燕麥、大麥、小麥、白蕓豆、黃豆、芹菜、胡蘿卜、甘薯、蘆薈、大蒜、海帶、甘蔗、車前子、西瓜皮、蘋果皮、柑橘皮、石榴皮的膳食纖維粉（19 種）購自陜西慈緣生物技術(shù)有限公司；來自平菇、杏鮑菇、金針菇、黑木耳、糯玉米、黑芝麻、蕎麥、綠豆、黑豆、紅豆、卷心菜、荷葉、生姜、藕、香芋、蔥皮、竹筍、四季豆、南瓜、山楂、辣椒的膳食纖維粉（21 種）由本實驗室自制。

1.2 儀器與設(shè)備

Mastersizer-2000E激光粒度分析儀 英國馬爾文儀器有限公司；ASAP2020低溫氮氣物理吸附儀 美國麥克儀器有限公司；FW-80-1粉碎機 天津市泰斯特儀器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 膳食纖維粉的制備

將新鮮食物原料洗干凈，置于95 ℃水中漂燙2 min。瀝干水后切成小塊，置于65 ℃烘箱干燥48 h后粉碎過40 目篩。將干燥的食物粉末在室溫下浸沒于石油醚（料液比350∶1（g/L））中浸提脂質(zhì)1 h。過濾后的粉末置于65 ℃烘箱中干燥30 min除去殘留石油醚。以料液比為30∶1（g/L）60 ℃熱水浸提粉末1 h。4 層紗布過濾收集濾渣，并置于60 ℃烘箱中干燥48 h，粉碎機粉碎3 min后即獲得干燥的膳食纖維粉（含水量低于6%），并密封避光保存。

1.3.2 膳食纖維粉顆粒結(jié)構(gòu)的表征

膳食纖維粉的粒徑分布采用激光粒度儀測定。利用儀器給出的粒徑分布圖通過軟件計算粉體的D10、D50和D90值。D10、D50和D90分別指累計粒度分布百分數(shù)達到10%、50%和90%時所對應（小于或等于）的粒徑。D10和D90分別是粉體細端和粗端粒度指標，而D50代表粉體的平均粒徑，按式（1）計算粉體徑距。

膳食纖維粉的孔隙結(jié)構(gòu)（比表面積、孔體積、孔徑）采用ASAP2020型全自動比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析儀測定。在測定前以5 mm Hg/s的抽氣速率于50 ℃真空脫氣12 h。自動進樣獲取樣品N2吸附脫附等溫線曲線和孔徑分布圖，用BET方程計算比表面積，用t-plot方法測定孔體積。

1.3.3 膳食纖維粉流動性的測定

膳食纖維粉的流動性以休止角和滑動角表示，并按文獻[13]方法測定。

將玻璃漏斗垂直固定于鐵架臺上，使漏斗下端距離坐標紙的高度（H）為3.0 cm。將干燥的膳食纖維粉緩慢地倒入漏斗中，使粉末自然下落直至坐標紙上粉末錐體頂端剛好接觸到漏斗下端停止，讀取錐體直徑2R（cm），并按式（2）計算休止角。

將長（L）14.0 cm及寬10.0 cm玻璃板水平放置，將其一端固定。準確稱取3.00 g的膳食纖維粉置于玻璃板的非固定端，緩慢升高非固定端直至粉體表面開始滑動。記錄此時玻璃板非固定端升高的高度（E），并按式（3）計算滑動角。

1.4 數(shù)據(jù)分析

膳食纖維粉粒徑及其分布、休止角和滑動角測定3 次，結(jié)果以 ±s表示。預實驗發(fā)現(xiàn)ASAP2020型全自動比表面積和孔結(jié)構(gòu)分析儀運行穩(wěn)定，測定結(jié)果平行性很高，同時考慮到測定時間（48 h/樣）與成本（300 元/樣），膳食纖維粉孔隙結(jié)構(gòu)只測定了1 次。膳食纖維粉體顆粒結(jié)構(gòu)與流動性指標之間的相關(guān)性用皮爾遜相關(guān)系數(shù)表示。皮爾遜相關(guān)系數(shù)是介于1和－1之間的值，其中，1表示變量完全正相關(guān)，0表示無關(guān)，－1表示完全負相關(guān)。

2 結(jié)果與分析

2.1 膳食纖維粉的粒徑分布特征

由表1可以看出，40 種膳食纖維粉的粒度分布指標差異很大，D10、D50和D90的變化范圍分別為130.3～9.0、376.9～62.9 μm和795.4～227.1 μm。而實驗室統(tǒng)一方法自制的21 種樣品的這些指標的變化幅度明顯較低，分別為130.3～15.3、376.9～125.5 μm和714.0～347.6 μm。這說明膳食纖維粉的粒度分布特征同時受其制備方法和來源物料性能的影響。根據(jù)原料種類（食用菌、糧谷、果蔬）對上述指標進行對比統(tǒng)計，未發(fā)現(xiàn)有明顯規(guī)律可循。徑距是反映粒度分布寬窄的指標，數(shù)值大則分布寬。實驗全部樣品徑距分布范圍為4.30～1.73，而21 種自制樣品徑距分布范圍為3.96～1.77，其趨勢與粒徑變化趨同。但所有實驗樣品的徑距都遠大于1，說明粉體粒度分布為非對稱分布，大顆粒的數(shù)量遠大于小顆粒的數(shù)量。

表1 膳食纖維粉的粒徑分布Table 1 Particle size distributions of dietary fiber powders

2.2 膳食纖維顆粒的比表面積和孔結(jié)構(gòu)

從掃描電子顯微鏡可以清楚的觀察到常見的膳食纖維粉末呈不規(guī)則形顆粒，表面凹凸不平，存在很多裂縫、凹陷或褶皺[11,14]。有人將這種結(jié)構(gòu)形象比喻為“蜂巢”狀結(jié)構(gòu)。這一特殊的結(jié)構(gòu)和較小的顆粒尺寸，使膳食纖維粉具備了較大的比表面積（2.06～0.18 m2/g）（表2）。從總體情況來看，來源于食用菌的膳食纖維粉比表面積最?。ㄆ骄?.46 m2/g），其次是來自糧谷類的膳食纖維粉比表面積（平均值0.84 m2/g），來自果蔬的膳食纖維粉具有相對較大的比表面積（平均值1.09 m2/g）。但膳食纖維粉的孔體積和平均孔徑與其種類來源沒有明顯的關(guān)系。

表2 常見膳食纖維粉體顆粒的比表面積、孔體積和孔徑Table 2 Specific surface areas, pore volumes and pore sizes of the particles in dietary fiber powders

圖1 蕎麥膳食纖維粉的N2吸附脫附曲線圖（A）和孔徑分布圖（B）Fig. 1 Nitrogen adsorption-desorption curves (A) and pore size distribution (B) of buckwheat dietary fiber powders

由圖1可知，蕎麥膳食纖維粉的N2吸附脫附曲線基本屬于Brunauer歸屬的第2類或第4類吸附等溫線[15]，即膳食纖維粉表面存在大量介孔（孔徑2～50 nm）、少量微孔（孔徑＜2 nm）和大孔（孔徑＞50 nm）[16]。依據(jù)孔徑分布范圍（4～62 nm）來看（表2），實驗大多數(shù)膳食纖維屬于介孔材料，只有甘蔗膳食纖維屬于大孔材料?？紫督Y(jié)構(gòu)是膳食纖維發(fā)揮其功能特性的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，它直接關(guān)系到膳食纖維粉體密度、發(fā)酵特性、吸附葡萄糖和膽汁酸、水合性質(zhì)等[17-19]。

2.3 膳食纖維粉的流動性

表3 膳食纖維粉體的休止角和滑動角Table 3 Angles of repose and slide of dietary fiber powders

粉體流動性常用休止角或滑動角來表示。休止角表示物料顆粒之間的集聚或團聚能力，而滑動角表示物料顆粒在接觸面上的附著能力。一般來說，休止角和滑動角越小，表明粉體的流動性越好。對于食品粉體，通常認為休止角小于30°時流動性好，小于40°即可滿足粉體輸送需要。同時，大多數(shù)膳食纖維粉的滑動角大于30°，有的甚至高達55°（大蒜膳食纖維粉）。這表明膳食纖維粉自身的流動性偏小可能成為其實際應用的一個缺點，需加以改善。由表3可知，本實驗中除個別樣品外，大多數(shù)膳食纖維粉的休止角大于滑動角，這與文獻[20]報道的結(jié)果一致。研究表明，粉體流動性與顆粒的粒徑、形狀、密度、表面粗糙程度等因素有關(guān)。顆粒形狀愈接近于球形，粉體流動性越好。對于同一種物料，粒徑越細小，粉粒間的相互黏附力越大，流動性越差。Maa等[21]發(fā)現(xiàn)粉體休止角與分子間作用力呈線性關(guān)系。

2.4 膳食纖維粉的顆粒結(jié)構(gòu)與流動性的相關(guān)性分析

2.4.1 膳食纖維的粒徑分布與粉體流動性的關(guān)系

表4 膳食纖維粉的粒徑結(jié)構(gòu)與其流動性的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis between particle structure and fluidity of dietary fiber powders

由表4可知，膳食纖維的粉體流動性（休止角）與其粒徑呈顯著相關(guān)。休止角與粒徑的相關(guān)系數(shù)為－0.443（極顯著負相關(guān)），即顆粒粒徑越大，休止角越小，流動性越好。這與文獻[22]中顆粒粒徑與流動性成正比的結(jié)論一致，此結(jié)論也符合粉體學的數(shù)學理論[23]。一般情況下，休止角（α）會隨著粒徑（d）的增加而減小，通常二者的關(guān)系符合方程α=q/d＋s（q和s為由粉體決定的參數(shù)[24]）。這可能是因為粒徑增大可以減少粒子間的接觸點數(shù)（配位數(shù)），降低了粒子間的附著力、凝聚力、摩擦力，增強了粉體的流動性。這也說明粉體固有屬性對其流動性有顯著影響。除了粒徑，還要考慮顆粒徑距對粉體流動性的影響。本實驗結(jié)果表明，膳食纖維粉的休止角與顆粒徑距呈正相關(guān)，滑動角與顆粒徑距呈負相關(guān)，但未達到顯著水平。而有報道認為顆粒徑距越大的粉體，其流動性也往往更好。因此有報道發(fā)現(xiàn)向細粉顆粒中并入部分大顆?？捎行Ц纳破淞鲃有訹10]。

2.4.2 膳食纖維的流動性和顆粒孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系

由表4可知，膳食纖維粉體流動性與其顆粒的孔體積、孔徑和比表面積等有一定關(guān)系?？左w積與休止角和滑動角都呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達到了0.400和0.354，同時孔體積與孔徑呈極顯著正相關(guān)，而孔徑與孔體積越大則表示顆粒表面越粗糙，這說明光滑的表面有利于粉體的流動，而粗糙的顆粒表面會導致粉體流動性降低[25]。已有的研究表明膳食纖維顆粒表面的凹陷褶皺會增加顆粒之間的平均配位數(shù)，增大內(nèi)摩擦力，降低粉體流動性[21,26,28]。大孔體積或大孔徑顆粒組成的粉體流動性差的原因主要是：1）大孔隙會使顆粒間產(chǎn)生相互的吸附效應[29]；2）大孔顆粒的機械強度較低，易發(fā)生彈性形變而改變顆粒形狀（如成片狀），使其不易流動[30]；3）大孔顆粒易發(fā)生應力破碎成為小顆粒，導致粉體流動性下降[25]。本實驗發(fā)現(xiàn)比表面積和休止角呈顯著正相關(guān)，表示比表面積越大，粉體流動性越差，這與Ridgway等[25]的報道一致，其原因是增大的表面能提供更多位點便于顆粒團聚[23]。

3 結(jié) 論

不同來源膳食纖維粉的粒徑（D10為130.3～9.0 μm）、比表面積（2.06～0.18 m2/g）、孔體積（13.15～0.37 cm3/g）、孔徑（61.46～4.45 nm）、休止角（32.01°～56.85°）和滑動角（21.90°～54.94°）差異很大，且無明顯來源依賴性。除個別（甘蔗來源）情況，平均粒徑顯示膳食纖維粉主要為介孔材料。膳食纖維的粉體休止角與其粒徑呈極顯著負相關(guān)（RP=－0.443）；孔體積與休止角與滑動角都呈顯著正相關(guān)，RP分別為0.400和0.354；比表面積和休止角呈顯著正相關(guān)（RP=0.387）；但顆粒其他結(jié)構(gòu)參數(shù)與流動性參數(shù)之間的關(guān)系均達不到顯著水平。

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