小麥麩皮粉體的電學性質初探

陳中偉 王 莉 楊春霞 吳保承 田燕寧 陳正行

(糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室1，無錫 214122)

(江南大學食品學院2，無錫 214122)

(江蘇省江大綠康生物工程技術研究有限公司3，無錫 214028)

(江南大學理學院4，無錫 214122)

麥麩是小麥粉廠的副產品，是我國的大宗農副產品。2010年我國小麥的產量為1.15億噸，麥麩的產量高達2 000萬噸［1－2］。小麥麩皮的營養價值豐富，含有蛋白質、膳食纖維、B族維生素、礦物質及抗氧化成分等8大類有利于人體健康的健康因子或功能因子［3－5］。目前，麥麩的增值加工主要以濕法為主。雖然較傳統的麥麩利用方式(飼料和發酵基料)有所改進，但濕法加工仍然存在蒸汽能消耗大、成本高、營養成分損失嚴重和環境污染等諸多缺點，深加工利用率低，浪費嚴重。因此，小麥麩皮的加工增值是我國小麥深加工產業鏈亟需解決的問題之一。麥麩的干法增值技術能很好避免能耗和營養成分損失的不足，加工成本低，環境污染少，低碳環保。小麥麩皮由多個生理層組成，大致可以分為外果皮、中間層(內果皮、橫狀細胞、種皮和透明層)和糊粉層［6－7］。麥麩結構層的抗研磨特性不同，在相同的研磨強度下，會產生粒徑差異明顯的粉體。同時，小麥麩皮結構層的細胞幾何結構和生化組成也存在較大的差異。外皮層和中間層以纖維狀的細胞為主，糊粉層則是由單層細胞組成，其細胞內容物含有松散的小顆粒物質［8－9］。

電場分離技術是一種在粉煤灰和電路板金屬回收產業廣泛應用的干法分離技術［10］。主要的原理是利用不同物質的電特性不同，通過接觸帶電或者非接觸帶電后，產生的電荷不同，從而在靜電場中的遷移距離不同，從而收集得到不同成分的產品。

本試驗旨在對不同粒徑和成分的小麥麩皮粉體，在電暈帶電和摩擦起電兩種方式下的電學特性進行初步研究，探索靜電場對小麥麩皮結構層的分離作用，為生物質材料的電場分離進行探索。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

麥麩:中糧集團;小麥、稻米、小米:市售。

Q－500B3中藥粉碎機:上海冰都電器有限公司;振動超微粉碎機(LWL 400):濟南龍威制藥設備有限公司;XC－600振動篩:新鄉先臣振動機械有限公司;FS－20傳送帶:廣東佛山傳送帶機械廠;A101電荷測定儀:青島山紡儀器有限公司;摩擦管道:自制。

1.2 原料預處理

麥麩經振動篩分，除去部分殘留淀粉。然后，利用中藥粉碎機將麥麩粉碎至全部通過20目篩，將預粉碎后的麥麩，投入到超微振動粉碎機中，填充容量為1/3，粉碎20 min。然后，在35℃條件下烘干1 h，利用200目，325目篩進行振動篩分，為了減少微小顆粒對篩網的堵塞，在325目篩網架上添加超聲波能量轉化器，起清網作用，以增加篩分效果。收集篩下物得到3種不同粉體(麥麩1為200目篩上物，麥麩2為200目篩下物和325目篩上物，麥麩3為325目篩下物)，作電學特性研究。

1.3 粒徑測定

將篩分后的麥麩顆粒在干燥器中貯存24 h，使其含水量穩定，避免顆粒的粘附對粒徑測定帶來影響。利用粒徑分析儀測定麥麩粉體的粒徑分布。采用干法吸入式(0.25 μm 到 2 000 μm，反射模式，顆粒形狀為不規則)。利用系統自帶軟件獲取粒徑分布數據，并繪制粒徑分布圖。

1.4 熒光顯微鏡分析

將麥麩粉體鑲嵌在2%的瓊脂塊中，選擇合適的粉體與瓊脂干物質比例，利用pH 7戊二醛溶液進行固定，然后利用不同濃度的酒精進行脫水。脫水后進行浸蠟與包埋，利用切片機切出4 μm薄片，利用1%的品紅乙醇溶液和0.01%的熒光增白劑溶液分別染色2 min，洗凈染色液，封片，然后進行熒光觀測［7］。利用熒光顯微鏡，在激發光(400～410 nm)條件下，進行熒光觀測。

1.5 電學測定

將篩分后的麥麩粉體放入干燥器中存放12 h，室溫下，使其緩慢干燥，避免粉體結塊。在進行電學試驗前，將粉體平鋪在接地的金屬容器中，使其充分的放電。

1.5.1 電暈帶電

稱取5～10 g的麥麩樣品，平鋪在絕緣傳送帶5 cm×60 cm的區域上。在傳送帶上方約5 cm處放置電暈電極，電極上接直流高壓電源。樣品粉體隨傳送帶以6 cm/s的速度通過高壓電極下方，傳送帶末端放置法拉第筒，以收集帶電粉體，進行電荷測定。裝置圖如圖1。測定時的溫度范圍為:15～20℃;濕度范圍:50%～60%。每個樣品重復測定5次，以平均值和標準偏差的形式表示。

1.5.2 摩擦起電

選擇聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和鐵4種不同材料作為摩擦起電的管道，為了確定4種摩擦起電材料的摩擦序列，在測定小麥粉體的摩擦起電帶電特性之前，選擇稻米，大米、麥粒和小米4種原料進行摩擦起電試驗。將具體麥麩樣品測定步驟如下，稱取5～10 g麥麩樣品，投入到氣流管道的進料口，利用固定的氣流控制麥麩粉體在管道中摩擦的速度，管道末端接電荷測定儀的法拉第筒，同時，在法拉第筒的入口添加網篩，防止粉體飛揚出測定裝置。裝置圖如圖1，每次測定重復5次，取平均值。

圖1 試驗裝置圖

2 結果與討論

2.1 篩分后麥麩粉體的粒徑分布

麥麩經研磨篩分后呈現粒徑不同的顆粒，如圖2中所示:設定麥麩1代表200目篩上物，麥麩2代表介于200目篩和325目篩的粉體;麥麩3為介于325目篩下物和400目篩的粉體。麥麩4是400目篩下物。由圖2a中可以看出，麥麩1～麥麩3具有明顯不同的粒徑分布。3種粉體的粒徑峰值分別為:156、82、20 μm。由圖2b粉體顆粒體積積累曲線同樣可以看出，麥麩3與麥麩4的粒徑分布較為相近，兩種麥麩中小于50 μm的顆粒達90%，而小麥糊粉的細胞大小約為50～60 μm。所以，麥麩3和麥麩4中的粉體中可能含有絕大部分的從糊粉細胞中泄露出的糊粉內容物。而麥麩1和麥麩2的粒徑不同，主要是由于組成麥麩的不同生理結構層的抗研磨的性質不同造成的。研究表明，麥麩是由外果皮，中間層和糊粉層構成。這3層結構層的細胞構造不同，外果皮和中間層都由纖維狀細胞，其中，中間層的結構更為復雜，包括內果皮、橫狀細胞、種皮和珠心層組成。糊粉細胞則由單層的厚細胞組成，厚度約整個麥麩的一半［11］，其細胞內部的填充物松散，易被泄露出來。有研究表明，破碎麥麩外果皮所需的能量最少，其次為糊粉層細胞，而使得中間層崩塌的能量最高。并且麥麩徑向和軸向上，不同結構層的抗拉伸的能力也不同［12］。

圖2 篩分后小麥麩皮粉體的粒徑分布

2.2 熒光定性麥麩粉體的組成

由圖3a所示，在熒光顯微鏡(400～410 nm)波長條件下，糊粉細胞壁被熒光顯色劑染色顯示亮藍色，糊粉細胞內容物中由于蛋白質的存在，被酸性品紅染成紅色，小麥淀粉不被染色。圖3b是麥麩1的熒光顯微圖，黃綠色的外皮層和中間層占大部分，同時還存在大量的已破裂的糊粉細胞。在圖3c中主要以糊粉層破碎后的細胞壁為主，說明在麥麩2中主要以糊粉細胞壁為主;在圖3d中，存在大量的紅色的顆粒和藍色顆粒，主要是細小的麥麩糊粉層細胞壁和內容物。這也印證了麥麩3中富集糊粉細胞內容物的猜想。綜合圖3b～圖3d可知，麥麩1中主要以小麥外皮層和部分被破碎的大顆粒的糊粉細胞為主;麥麩2主要包含小麥糊粉層破碎的細胞壁;而糊粉層的內容物則主要富集在麥麩3中。

圖3 不同麥麩粉體的熒光顯微圖

2.3 電暈帶電測定結果

荷質比是決定顆粒在靜電場中的遷移距離的最主要因素，可以作為電暈帶電后，靜電場分離效果的考察標準。從圖4中可以看出，當電極上的電壓不大于40 kV時，麥麩粉體經過電暈放電后基本不顯示電荷，隨著電壓逐步由41 kV增加至45 kV時，3種麥麩的荷質比逐步增加，但麥麩粉體間的荷質比差異不明顯。當電壓上升到46 kV時，單位質量麥麩3所帶電荷明顯小于麥麩1和麥麩2所帶電荷。當電壓繼續增加，麥麩1和麥麩2的荷質比的差異越來越明顯。此時，單位質量麥麩2的所帶電荷最多，達8.1 nC/g。其次為麥麩1，麥麩3所帶電荷最少。

圖4 不同電壓下麥麩粉體的電暈帶電效果

3種麥麩粉體在電暈帶電后所帶電荷量與它們的組成，結構有直接的關系。小麥麩皮主要是以纖維狀細胞存在，在破碎的過程中，產生了許多纖維碎片，由顯微圖可以看出，麥麩1和麥麩2主要是有纖維狀碎片組成。這些纖維狀顆粒在高壓電場中易被感應帶電。麥麩3中主要是淀粉和糊粉的內容物，顆粒粒徑微小，且脂肪含量較麥麩1和麥麩2高，脂肪的介電常數較纖維大。造成了3種麥麩在電壓高于45 kV時，出現明顯的不同。

2.4 摩擦起電

2.4.1 谷粒摩擦起電測定結果

如圖5中所示，稻谷、大米、小麥和小米在不同管道中摩擦起電后的荷質比具有明顯的差異。鐵是導體，在摩擦起電的過程中產生的電荷很快被導走，因此，基本測不到電荷。聚丙烯，聚氯乙烯和聚四氟乙烯是良好的絕緣材料，3種材料都具有良好的摩擦起電的性能，其中聚四氟乙烯的摩擦起電的效果最佳。4種不同的谷物經摩擦起電后，所帶電荷和其表面特性有關，在3種絕緣材料的摩擦起電效果中，小米經摩擦起電后，單位質量所帶電荷最少。其次是稻谷，但與聚四氟乙烯的摩擦后，所帶電荷驟然增加。小麥和經脫糠處理后的大米的摩擦起電效果在與3種絕緣材料摩擦后都有明顯的區別。總之，3種絕緣材料的摩擦起電順序從大到小為聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯。這與Diaz A F等［13］獲得的摩擦起電材料的序列相同。

圖5 不同管道材料與谷粒摩擦帶電效果

2.4.2 麥麩粉體摩擦起電測定結果

由圖6可以看出，麥麩2與3種絕緣材料摩擦后，所帶電荷最多，達5.4 nC/g。其次是麥麩3，麥麩1的摩擦起電效果最差。Dascalescu L等［14］也對麥麩的電特性進行過研究，結果顯示，在含水量為2%時，對于D50=50 μm的麥麩細粉，摩擦起電后的荷質比為7.2 nC/g，對于 D50=100 μm 的中等粒徑的麥麩顆粒的荷質比為5.9 nC/g。3種麩皮之間經過摩擦起電后所帶電荷的顯著性明顯。3種材料對麥麩的摩擦起電的效果序列為:聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯。鐵管道與麥麩摩擦后幾乎檢測不到電荷。

圖6 麥麩顆粒與不同材料管道摩擦帶電效果

3 結論

總之，經過超微粉碎后，通過篩分可以粒徑、組成不同的麥麩顆粒。通過電暈帶電和摩擦起電兩種方式給電后，不同麥麩顆粒所帶電荷有著明顯差異。其中麥麩2在電暈帶電和摩擦起電后，所帶電荷均最多，給電效果最好。在電暈給電條件下，由于麥麩3中存在較多的脂肪，介電常數增大，絕緣效果較好，且粒徑最小，因此，獲得的電荷最少。對于摩擦起電材料，聚四氟乙烯的電負性最強，獲取電子的能力最強。經摩擦起電后，易使得麥麩獲得最多的負電荷，是良好的摩擦起電材料，可以作為不同結構層麥麩粉體的靜電場分離前處理的摩擦材料。

高壓靜電場是一種簡單快速分離金屬與非金屬材料的方法，但用于非金屬材料的分離極少，主要原因是關于生物質材料在電場遷移行為的基礎研究較少，受到分離現場環境條件的影響較大，測定儀器復雜，需要很好的交叉學科的知識。此研究初步表明，高壓靜電場分離可以用于富集不同的生物質材料，可以克服濕法分離方式能耗高、污染重和成本高等缺陷，具有明顯的優勢和研究價值，在未來糧油加工中也將具有很廣的應用。

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