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牛蒡渣膳食纤维微粒结构及物性的研究1
胥晶 1, 2，张涛 1, 2，江波 1, 2，缪铭 1, 2
1江南大学食品科学与技术国家重点实验室，江苏无锡 （214122）
2江南大学食品学院，江苏无锡 （214122)
摘 要：采用酶法制备牛蒡渣膳食纤维，对不同粒度牛蒡渣膳食纤维的膨胀力持水力进行测
定，同时采用扫描电镜，X射线衍射等分析方法对膳食纤维微粒结构进行研究。结果表明：
在 355µm -250µm范围内，牛蒡渣膳食纤维持水力和膨胀力基本不变；在 250µm -150µm范
围内，随着纤维粒度减小，牛蒡渣膳食纤维的持水力和膨胀力逐渐降低；在 150µm -225nm
范围内，膨胀力和持水力小幅度交替升降。通过扫描电镜及 x射线衍射对不同粒度的牛蒡渣
膳食纤维微粒结构进行研究，分析了牛蒡渣膳食纤维微粒结构与物性之间的关系。
关键词：膳食纤维；微粒结构；物性
中图分类号：
1．引言
牛蒡渣是牛蒡提取菊糖后的废弃物，含有可利用的膳食纤维，经淀粉酶和蛋白酶作用可
得到纯度较高的膳食纤维。膳食纤维作为一种重要的功能性食品基料已引起世界各国营养学
家的广泛关注和普遍重视，通过增加膳食纤维摄入量预防各种现代文明病成为人们的共识
[1,2]。膳食纤维的胜利功能在很大程度上与膳食纤维结构、颗粒度、比表面积、膨胀度等性
质相关。常采用超微粉碎的方法对膳食纤维进行改性，以获得粒度更小、口感更好的膳食纤
维，从而拓宽其在食品中的应用范围[3,4]。
本研究以牛蒡渣膳食纤维为原料，采用扫描电镜及 X 射线衍射等方法对不同粒径膳食
纤维的微粒结构和物性进行了研究。
2．材料与方法
材料与设备
牛蒡，购于无锡大润发超市；牛蒡渣膳食纤维，自制；Quanta200 电子显微镜，荷兰飞
利浦公司，D8 Advance 型 X-射线衍射仪，德国 Bruker AXS 公司
实验方法
牛蒡渣制备工艺
牛蒡根预处理 → 浸提菊糖 → 牛蒡渣 → 酶反应 → 膳食纤维
膨胀力
准确称取膳食纤维 1g，置于量筒中，吸取 50mL 的水加入其中，振荡摇匀后室温放置
24h，读取液体中膳食纤维的体积，计算膨胀力。
mL mL
g
= 溶胀后纤维体积（ ）- 干品体积（ ）膨胀力
样品干重（ ）
持水力
1本课题得到江苏省科技攻关项目(BE2007314), 江南大学食品科学与技术国家重点实验室自由探索资助项
目（SKLF-TS-200808）的资助
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准确称取膳食纤维 1g，放入烧杯中，加入 50mL 的水浸泡 1h，滤纸滤干后，转移到表
面皿中称量，计算持水力。
g g
g
= 样品湿重（ ）- 样品干重（ ）持水力
样品干重（ ）
扫描电镜观察
用戊二醛将待测样品固定，以溅射镀膜法对样品进行表面镀金，然后将样品置于
Quanta200 电子显微镜下观察。
X 射线衍射
工作条件：采用铜靶 Cu Kα(λ= 06 nm), 功率为 1 600 W(40 kV×40 mA), 采用 NaI
晶体闪烁计数器(scintillation counter)/固体探测器(Sol-X)测量 X-射线的强度,扫描范围为
1°-70°, 扫描速度 4°/min。DS-SS-RS 设置分别为 [发散狭缝（简称 DS）、
防散射狭缝（简称 SS）、接受狭缝（简称 RS）]。
3．实验及结果分析
持水力和膨胀力测定
对粒度由 355µm -225nm 的牛蒡渣膳食纤维进行持水力和膨胀力的测定，结果如图 1 所
示。
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纤维粒径/μm
持
水
力
（
g水
/g
纤
维
）
膨
胀
力
（
mL
/g
）
g水/g纤维
mL/g
图 1 膳食纤维的粉碎粒度对其持水力和膨胀力的影响
Fig1 effect of fiber length on the water binding capacity and swelling capacity of dietary fiber
由图 1 可以看出，在 355µm -250µm 范围内，随着纤维粒度的减小，持水力和膨胀力基
本不变，在 250µm -150µm 范围内，随着纤维粒度的逐渐减小，牛蒡渣膳食纤维的持水力和
膨胀力逐渐降低，这与 JIT [5]的结论基本一致；在 150µm -225nm 范围内，牛蒡渣膳
食纤维的持水力和膨胀力有一个小幅度交替升降的过程，一方面超微粉碎可以使物料的粒度
减小、比表面积增大[6,7]，进而使非水溶性膳食纤维分子中亲水基团暴露率增大，持水力和
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膨胀力提高，同时超微粉碎还可能降低纤维的结晶度，进一步强化破碎效果。另一方面，超
微粉碎高强的破坏力会破坏破坏非水溶性膳食纤维空间网状结构，使得膨胀力和持水力降
低。在这两种作用的共同作用下，在 150µm -225nm 范围内出现了小幅度交替升降的过程。
为进一步证实上述观点，选取 355µm、150µm 及 255nm 三个粒度的牛蒡渣膳食纤维分别进
行电子显微镜观察和 X 射线衍射。
电子显微镜观察
对 355µm、150µm 及 255nm 三个粒度的牛蒡渣膳食纤维进行电子显微镜观察。由图 2
可以看出，355µm 的牛蒡渣膳食纤维由棒条状与片层状结构相互连接，形成致密的空间网状
结构，因而具有很好的持水力和膨胀力，这与图 1 的结论一致。由图 3 可以明显看出 150µm
的牛蒡渣膳食纤维空间网状结构完全被破坏，棒条状结构和片层结构散落在观察界面上，从
而导致膨胀力和持水力急剧下降。图 4 中发现，当牛蒡渣膳食纤维空间结构被破坏，对其进
一步进行超微粉碎时，一方面原先的片层状结构内部出现平面的网状结构，使比表面积增大，
进而使非水溶性膳食纤维分子中亲水基团暴露率增大，在一定程度上使持水力和膨胀力增
加；同时平面网状结构随着一步粉碎，发生内部断裂，这又会使持水力和膨胀力发生一定程
度的降低。由于两方面的影响，在 150µm -225nm 范围内，持水力和膨胀力出现了小幅度交
替升降的过程。
（a） 放大 600 倍 （b） 放大 1200 倍
图 2 355µm 膳食纤维的微粒结构
Particle structure of 355µm dietary fiber
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（a） 放大 600 倍 （b） 放大 1200 倍
图 3 150µm 牛蒡渣膳食纤维的微粒结构
Particle structure of 150µm dietary fiber
（a） 放大 600 倍 （b） 放大 1200 倍
图 4 255nm 牛蒡渣膳食纤维的微粒结构
Particle structure of 255nm dietary fiber
X 射线衍射
有研究表明，纤维素类物质是由 70%有序结晶纤维素区和 30%无序非晶态纤维素、半
纤维素区组成[5]的，高度有序的纤维素区具有结晶性。对 355µm、150µm 及 255nm 三个粒
度的牛蒡渣膳食纤维分别进行 X 射线衍射。从图 5 看出，355µm 和 150µm 的牛蒡渣膳食纤
维 X 射线图谱基本不变，可见其晶体结构破坏不明显，粉碎时的机械剪切力没有引起聚合
物结构发生深度的降解或破坏。而图 6 的 X 射线图谱发生明显变化，结晶结构被完全破坏。
纤维膨胀力和持水力的增加是由于纤维吸湿后削弱了无定形区分子间的相互联系，使无
定形区的大分子链段运动范围增大所致，而结晶部分限制了纤维的溶胀作用[8]。255nm 的牛
蒡渣纤维，一方面结晶区转变成无定形区，会造成一定程度的膨胀力和持水力的增加，但另
一方面，由于转变后的无定形区大分子链段遭到严重破环，又会造成膨胀力和持水力下降。
由于这两方面的影响，255nm 的牛蒡渣膳食纤维的持水力和膨胀力与 150µm 的相比，变化
不明显，但在 150µm -225nm 范围内出现了小幅度交替升降的过程，这正体现了牛蒡渣膳食
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纤维在粉碎过程中由结晶区向无定形区转变以及无定形区大分子链段断裂为小分子链段的
一个动态变化的过程。
d-Scale(A)
0
50
100
150
In
te
ns
ity
(C
ou
nt
s)
[150µ
[355µ
图 5 膳食纤维超微粉碎后的 X 衍射图谱（355µm、150µm）
The X-ray diffraction patterns of powdered dietary fiber（355µm、150µm）
d-Scale(A)
0
50
100
150
In
te
ns
ity
(C
ou
nt
s)
[]
图 6 膳食纤维超微粉碎后的 X 衍射图谱（255nm）
The X-ray diffraction patterns of powdered dietary fiber（255nm）
4．总结
1）对经超微粉碎后的不同粒径牛蒡渣膳食纤维持水力和膨胀力进行测定，在 355µm
-250µm 范围内，随着纤维粒度的减小，持水力和膨胀力基本不变，在 250µm -150µm 范围
内，随着纤维粒度的逐渐减小，牛蒡渣膳食纤维的持水力和膨胀力逐渐降低，在 150µm
-225nm 范围内出现了小幅度交替升降的过程。
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2）电子显微镜观察发现，355µm 的牛蒡渣膳食纤维由棒条状与片层状结构相互连接，
形成致密的空间网状结构；150µm 的牛蒡渣膳食纤维空间网状结构完全被破坏，棒条状结构
与片层状结构在散落在观察界面；255nm 的牛蒡渣膳食纤维呈现断裂的平面网状结构。
3）X 射线衍射结果表明，355µm 和 150µm 的牛蒡渣膳食纤维 X 射线图谱基本不变，可
见粉碎时的机械剪切力没有引起聚合物结构发生深度的降解或破坏；255nm 牛蒡渣膳食纤维
X 射线图谱发生明显变化，结晶结构被完全破坏。
参考文献
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[7] 刘成梅，刘伟，林向阳等.Microfluidizer 对膳食纤维溶液物理性质的影响[J].食品科学，2004，（2）：72-75
[8] 蔡再生.纤维化学与物理[M].北京：中国纺织出版社，-120
Study on particle structure and physical properties of
different particle size burdock dietary fiber
XU Jing1,2, ZHANG Tao1,2, JIANG Bo1,2, Miao Ming1,2
1. State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu
(214122)
2. School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi, Jiangsu (214122)
Abstract
The water binding capacity and swelling capacity of burdock dietary fiber ranged from 355µm-225nm
were studyed in this result showed that:in the range of 355µm-250µm, water binding
capacity and swelling capacity remained unchanged; in the range of 250µm-150µm, with the decrease
of fiber size, water binding capacity and swelling capacity decreased; in the range of
150µm-225nm,there was a turn of take-off and landing process. The particle structure of different
sizes burdock dietary fiber were studed by scanning electron microscopy and x-ray diffraction.
Analysis of particle structure and the relationship between the physical properties of burdock dietary
fiber were also studyed in this paper.
Key words: Dietary fiber; particle structure; physical property
作者简介：胥晶，女，1985 年生，硕士研究生，主要研究方向是食品功能因子的研究与开
发。
