膳食纤维粉体流动性与其颗粒结构的关系

王 阳，颜才植，叶发银，雷 琳，赵国华,2,*

（1.西南大学食品科学学院，重庆 400715；2.重庆市特色食品工程技术研究中心，重庆 400715）

水不溶性膳食纤维因口感粗糙，往往在现代食品加工过程中被剔除，形成诸如麸皮、豆渣、米糠等富含膳食纤维食品加工剩余物[1-2]。而膳食纤维具有减肥、预防结肠癌、控制血糖、降低心血管疾病发生等功效，是预防现代文明病的关键食物成分，被誉为“第七大营养素”[3-4]。因此将这些富含膳食纤维的食品加工剩余物烘干、微细化处理，改善其适口性之后作为粉体食品配料回添到各种食品中，是当前开发高膳食纤维食品的重要途径之一[5]。作为粉体，流动性对其生产、包装、运输和应用至关重要。研究表明，粉体的流动性与颗粒的大小、形状、密度、表面硬度、孔隙结构、水分含量以及颗粒间相互作用等密切相关[6-8]。但这种关系随物料的不同而各异。Wu Gangcheng等[9]研究超微粉碎白鲢鱼骨粉时发现，颗粒越小的骨粉流动性也越好；Smalley[10]的研究则发现石英砂粒径为190 μm时具有最大的流动性，降低或增大颗粒尺寸都会导致粉体流动性下降。而Ye Fayin等[11]对柑橘皮渣膳食纤维粉以及Zhang Min等[12]对茶薪菇粉的研究发现，颗粒越小粉体的流动性越差。目前有关膳食纤维粉流动性与其颗粒结构关系的研究基本为案例式研究，不具有普遍意义。为此，本实验以40 种购买或自制的常见膳食纤维粉体为研究对象，借助激光粒度散射仪、低温氮气吸附仪和相关分析等技术手段，揭示膳食纤维粉流动性与其颗粒结构特征之间的关系，为膳食纤维粉的合理加工提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

40 种膳食纤维原料：其中，来自香菇、玉米、燕麦、大麦、小麦、白芸豆、黄豆、芹菜、胡萝卜、甘薯、芦荟、大蒜、海带、甘蔗、车前子、西瓜皮、苹果皮、柑橘皮、石榴皮的膳食纤维粉（19 种）购自陕西慈缘生物技术有限公司；来自平菇、杏鲍菇、金针菇、黑木耳、糯玉米、黑芝麻、荞麦、绿豆、黑豆、红豆、卷心菜、荷叶、生姜、藕、香芋、葱皮、竹笋、四季豆、南瓜、山楂、辣椒的膳食纤维粉（21 种）由本实验室自制。

1.2 仪器与设备

Mastersizer-2000E激光粒度分析仪 英国马尔文仪器有限公司；ASAP2020低温氮气物理吸附仪 美国麦克仪器有限公司；FW-80-1粉碎机 天津市泰斯特仪器有限公司。

1.3 方法

1.3.1 膳食纤维粉的制备

将新鲜食物原料洗干净，置于95 ℃水中漂烫2 min。沥干水后切成小块，置于65 ℃烘箱干燥48 h后粉碎过40 目筛。将干燥的食物粉末在室温下浸没于石油醚（料液比350∶1（g/L））中浸提脂质1 h。过滤后的粉末置于65 ℃烘箱中干燥30 min除去残留石油醚。以料液比为30∶1（g/L）60 ℃热水浸提粉末1 h。4 层纱布过滤收集滤渣，并置于60 ℃烘箱中干燥48 h，粉碎机粉碎3 min后即获得干燥的膳食纤维粉（含水量低于6%），并密封避光保存。

1.3.2 膳食纤维粉颗粒结构的表征

膳食纤维粉的粒径分布采用激光粒度仪测定。利用仪器给出的粒径分布图通过软件计算粉体的D10、D50和D90值。D10、D50和D90分别指累计粒度分布百分数达到10%、50%和90%时所对应（小于或等于）的粒径。D10和D90分别是粉体细端和粗端粒度指标，而D50代表粉体的平均粒径，按式（1）计算粉体径距。

膳食纤维粉的孔隙结构（比表面积、孔体积、孔径）采用ASAP2020型全自动比表面积和孔结构分析仪测定。在测定前以5 mm Hg/s的抽气速率于50 ℃真空脱气12 h。自动进样获取样品N2吸附脱附等温线曲线和孔径分布图，用BET方程计算比表面积，用t-plot方法测定孔体积。

1.3.3 膳食纤维粉流动性的测定

膳食纤维粉的流动性以休止角和滑动角表示，并按文献[13]方法测定。

将玻璃漏斗垂直固定于铁架台上，使漏斗下端距离坐标纸的高度（H）为3.0 cm。将干燥的膳食纤维粉缓慢地倒入漏斗中，使粉末自然下落直至坐标纸上粉末锥体顶端刚好接触到漏斗下端停止，读取锥体直径2R（cm），并按式（2）计算休止角。

将长（L）14.0 cm及宽10.0 cm玻璃板水平放置，将其一端固定。准确称取3.00 g的膳食纤维粉置于玻璃板的非固定端，缓慢升高非固定端直至粉体表面开始滑动。记录此时玻璃板非固定端升高的高度（E），并按式（3）计算滑动角。

1.4 数据分析

膳食纤维粉粒径及其分布、休止角和滑动角测定3 次，结果以 ±s表示。预实验发现ASAP2020型全自动比表面积和孔结构分析仪运行稳定，测定结果平行性很高，同时考虑到测定时间（48 h/样）与成本（300 元/样），膳食纤维粉孔隙结构只测定了1 次。膳食纤维粉体颗粒结构与流动性指标之间的相关性用皮尔逊相关系数表示。皮尔逊相关系数是介于1和－1之间的值，其中，1表示变量完全正相关，0表示无关，－1表示完全负相关。

2 结果与分析

2.1 膳食纤维粉的粒径分布特征

由表1可以看出，40 种膳食纤维粉的粒度分布指标差异很大，D10、D50和D90的变化范围分别为130.3～9.0、376.9～62.9 μm和795.4～227.1 μm。而实验室统一方法自制的21 种样品的这些指标的变化幅度明显较低，分别为130.3～15.3、376.9～125.5 μm和714.0～347.6 μm。这说明膳食纤维粉的粒度分布特征同时受其制备方法和来源物料性能的影响。根据原料种类（食用菌、粮谷、果蔬）对上述指标进行对比统计，未发现有明显规律可循。径距是反映粒度分布宽窄的指标，数值大则分布宽。实验全部样品径距分布范围为4.30～1.73，而21 种自制样品径距分布范围为3.96～1.77，其趋势与粒径变化趋同。但所有实验样品的径距都远大于1，说明粉体粒度分布为非对称分布，大颗粒的数量远大于小颗粒的数量。

表1 膳食纤维粉的粒径分布Table 1 Particle size distributions of dietary fiber powders

2.2 膳食纤维颗粒的比表面积和孔结构

从扫描电子显微镜可以清楚的观察到常见的膳食纤维粉末呈不规则形颗粒，表面凹凸不平，存在很多裂缝、凹陷或褶皱[11,14]。有人将这种结构形象比喻为“蜂巢”状结构。这一特殊的结构和较小的颗粒尺寸，使膳食纤维粉具备了较大的比表面积（2.06～0.18 m2/g）（表2）。从总体情况来看，来源于食用菌的膳食纤维粉比表面积最小（平均值0.46 m2/g），其次是来自粮谷类的膳食纤维粉比表面积（平均值0.84 m2/g），来自果蔬的膳食纤维粉具有相对较大的比表面积（平均值1.09 m2/g）。但膳食纤维粉的孔体积和平均孔径与其种类来源没有明显的关系。

表2 常见膳食纤维粉体颗粒的比表面积、孔体积和孔径Table 2 Specific surface areas, pore volumes and pore sizes of the particles in dietary fiber powders

图1 荞麦膳食纤维粉的N2吸附脱附曲线图（A）和孔径分布图（B）Fig. 1 Nitrogen adsorption-desorption curves (A) and pore size distribution (B) of buckwheat dietary fiber powders

由图1可知，荞麦膳食纤维粉的N2吸附脱附曲线基本属于Brunauer归属的第2类或第4类吸附等温线[15]，即膳食纤维粉表面存在大量介孔（孔径2～50 nm）、少量微孔（孔径＜2 nm）和大孔（孔径＞50 nm）[16]。依据孔径分布范围（4～62 nm）来看（表2），实验大多数膳食纤维属于介孔材料，只有甘蔗膳食纤维属于大孔材料。孔隙结构是膳食纤维发挥其功能特性的结构基础，它直接关系到膳食纤维粉体密度、发酵特性、吸附葡萄糖和胆汁酸、水合性质等[17-19]。

2.3 膳食纤维粉的流动性

表3 膳食纤维粉体的休止角和滑动角Table 3 Angles of repose and slide of dietary fiber powders

粉体流动性常用休止角或滑动角来表示。休止角表示物料颗粒之间的集聚或团聚能力，而滑动角表示物料颗粒在接触面上的附着能力。一般来说，休止角和滑动角越小，表明粉体的流动性越好。对于食品粉体，通常认为休止角小于30°时流动性好，小于40°即可满足粉体输送需要。同时，大多数膳食纤维粉的滑动角大于30°，有的甚至高达55°（大蒜膳食纤维粉）。这表明膳食纤维粉自身的流动性偏小可能成为其实际应用的一个缺点，需加以改善。由表3可知，本实验中除个别样品外，大多数膳食纤维粉的休止角大于滑动角，这与文献[20]报道的结果一致。研究表明，粉体流动性与颗粒的粒径、形状、密度、表面粗糙程度等因素有关。颗粒形状愈接近于球形，粉体流动性越好。对于同一种物料，粒径越细小，粉粒间的相互黏附力越大，流动性越差。Maa等[21]发现粉体休止角与分子间作用力呈线性关系。

2.4 膳食纤维粉的颗粒结构与流动性的相关性分析

2.4.1 膳食纤维的粒径分布与粉体流动性的关系

表4 膳食纤维粉的粒径结构与其流动性的相关性分析Table 4 Correlation analysis between particle structure and fluidity of dietary fiber powders

由表4可知，膳食纤维的粉体流动性（休止角）与其粒径呈显著相关。休止角与粒径的相关系数为－0.443（极显著负相关），即颗粒粒径越大，休止角越小，流动性越好。这与文献[22]中颗粒粒径与流动性成正比的结论一致，此结论也符合粉体学的数学理论[23]。一般情况下，休止角（α）会随着粒径（d）的增加而减小，通常二者的关系符合方程α=q/d＋s（q和s为由粉体决定的参数[24]）。这可能是因为粒径增大可以减少粒子间的接触点数（配位数），降低了粒子间的附着力、凝聚力、摩擦力，增强了粉体的流动性。这也说明粉体固有属性对其流动性有显著影响。除了粒径，还要考虑颗粒径距对粉体流动性的影响。本实验结果表明，膳食纤维粉的休止角与颗粒径距呈正相关，滑动角与颗粒径距呈负相关，但未达到显著水平。而有报道认为颗粒径距越大的粉体，其流动性也往往更好。因此有报道发现向细粉颗粒中并入部分大颗粒可有效改善其流动性[10]。

2.4.2 膳食纤维的流动性和颗粒孔隙结构的关系

由表4可知，膳食纤维粉体流动性与其颗粒的孔体积、孔径和比表面积等有一定关系。孔体积与休止角和滑动角都呈显著正相关，相关系数分别达到了0.400和0.354，同时孔体积与孔径呈极显著正相关，而孔径与孔体积越大则表示颗粒表面越粗糙，这说明光滑的表面有利于粉体的流动，而粗糙的颗粒表面会导致粉体流动性降低[25]。已有的研究表明膳食纤维颗粒表面的凹陷褶皱会增加颗粒之间的平均配位数，增大内摩擦力，降低粉体流动性[21,26,28]。大孔体积或大孔径颗粒组成的粉体流动性差的原因主要是：1）大孔隙会使颗粒间产生相互的吸附效应[29]；2）大孔颗粒的机械强度较低，易发生弹性形变而改变颗粒形状（如成片状），使其不易流动[30]；3）大孔颗粒易发生应力破碎成为小颗粒，导致粉体流动性下降[25]。本实验发现比表面积和休止角呈显著正相关，表示比表面积越大，粉体流动性越差，这与Ridgway等[25]的报道一致，其原因是增大的表面能提供更多位点便于颗粒团聚[23]。

3 结 论

不同来源膳食纤维粉的粒径（D10为130.3～9.0 μm）、比表面积（2.06～0.18 m2/g）、孔体积（13.15～0.37 cm3/g）、孔径（61.46～4.45 nm）、休止角（32.01°～56.85°）和滑动角（21.90°～54.94°）差异很大，且无明显来源依赖性。除个别（甘蔗来源）情况，平均粒径显示膳食纤维粉主要为介孔材料。膳食纤维的粉体休止角与其粒径呈极显著负相关（RP=－0.443）；孔体积与休止角与滑动角都呈显著正相关，RP分别为0.400和0.354；比表面积和休止角呈显著正相关（RP=0.387）；但颗粒其他结构参数与流动性参数之间的关系均达不到显著水平。

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