小麥麩皮粉體的電學(xué)性質(zhì)初探

陳中偉 王 莉 楊春霞 吳保承 田燕寧 陳正行

(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室1，無(wú)錫 214122)

(江南大學(xué)食品學(xué)院2，無(wú)錫 214122)

(江蘇省江大綠康生物工程技術(shù)研究有限公司3，無(wú)錫 214028)

(江南大學(xué)理學(xué)院4，無(wú)錫 214122)

麥麩是小麥粉廠的副產(chǎn)品，是我國(guó)的大宗農(nóng)副產(chǎn)品。2010年我國(guó)小麥的產(chǎn)量為1.15億噸，麥麩的產(chǎn)量高達(dá)2 000萬(wàn)噸［1－2］。小麥麩皮的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，含有蛋白質(zhì)、膳食纖維、B族維生素、礦物質(zhì)及抗氧化成分等8大類(lèi)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(tǒng)的麥麩利用方式(飼料和發(fā)酵基料)有所改進(jìn)，但濕法加工仍然存在蒸汽能消耗大、成本高、營(yíng)養(yǎng)成分損失嚴(yán)重和環(huán)境污染等諸多缺點(diǎn)，深加工利用率低，浪費(fèi)嚴(yán)重。因此，小麥麩皮的加工增值是我國(guó)小麥深加工產(chǎn)業(yè)鏈亟需解決的問(wèn)題之一。麥麩的干法增值技術(shù)能很好避免能耗和營(yíng)養(yǎng)成分損失的不足，加工成本低，環(huán)境污染少，低碳環(huán)保。小麥麩皮由多個(gè)生理層組成，大致可以分為外果皮、中間層(內(nèi)果皮、橫狀細(xì)胞、種皮和透明層)和糊粉層［6－7］。麥麩結(jié)構(gòu)層的抗研磨特性不同，在相同的研磨強(qiáng)度下，會(huì)產(chǎn)生粒徑差異明顯的粉體。同時(shí)，小麥麩皮結(jié)構(gòu)層的細(xì)胞幾何結(jié)構(gòu)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(xì)胞為主，糊粉層則是由單層細(xì)胞組成，其細(xì)胞內(nèi)容物含有松散的小顆粒物質(zhì)［8－9］。

電場(chǎng)分離技術(shù)是一種在粉煤灰和電路板金屬回收產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用的干法分離技術(shù)［10］。主要的原理是利用不同物質(zhì)的電特性不同，通過(guò)接觸帶電或者非接觸帶電后，產(chǎn)生的電荷不同，從而在靜電場(chǎng)中的遷移距離不同，從而收集得到不同成分的產(chǎn)品。

本試驗(yàn)旨在對(duì)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(xué)特性進(jìn)行初步研究，探索靜電場(chǎng)對(duì)小麥麩皮結(jié)構(gòu)層的分離作用，為生物質(zhì)材料的電場(chǎng)分離進(jìn)行探索。

1 材料與方法

1.1 材料和儀器

麥麩:中糧集團(tuán);小麥、稻米、小米:市售。

Q－500B3中藥粉碎機(jī):上海冰都電器有限公司;振動(dòng)超微粉碎機(jī)(LWL 400):濟(jì)南龍威制藥設(shè)備有限公司;XC－600振動(dòng)篩:新鄉(xiāng)先臣振動(dòng)機(jī)械有限公司;FS－20傳送帶:廣東佛山傳送帶機(jī)械廠;A101電荷測(cè)定儀:青島山紡儀器有限公司;摩擦管道:自制。

1.2 原料預(yù)處理

麥麩經(jīng)振動(dòng)篩分，除去部分殘留淀粉。然后，利用中藥粉碎機(jī)將麥麩粉碎至全部通過(guò)20目篩，將預(yù)粉碎后的麥麩，投入到超微振動(dòng)粉碎機(jī)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(jìn)行振動(dòng)篩分，為了減少微小顆粒對(duì)篩網(wǎng)的堵塞，在325目篩網(wǎng)架上添加超聲波能量轉(zhuǎn)化器，起清網(wǎng)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(xué)特性研究。

1.3 粒徑測(cè)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(wěn)定，避免顆粒的粘附對(duì)粒徑測(cè)定帶來(lái)影響。利用粒徑分析儀測(cè)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(guī)則)。利用系統(tǒng)自帶軟件獲取粒徑分布數(shù)據(jù)，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(zhì)比例，利用pH 7戊二醛溶液進(jìn)行固定，然后利用不同濃度的酒精進(jìn)行脫水。脫水后進(jìn)行浸蠟與包埋，利用切片機(jī)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(jìn)行熒光觀測(cè)［7］。利用熒光顯微鏡，在激發(fā)光(400～410 nm)條件下，進(jìn)行熒光觀測(cè)。

1.5 電學(xué)測(cè)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(jié)塊。在進(jìn)行電學(xué)試驗(yàn)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(qū)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(guò)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(jìn)行電荷測(cè)定。裝置圖如圖1。測(cè)定時(shí)的溫度范圍為:15～20℃;濕度范圍:50%～60%。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定5次，以平均值和標(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(jìn)行摩擦起電試驗(yàn)。將具體麥麩樣品測(cè)定步驟如下，稱取5～10 g麥麩樣品，投入到氣流管道的進(jìn)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(cè)定儀的法拉第筒，同時(shí)，在法拉第筒的入口添加網(wǎng)篩，防止粉體飛揚(yáng)出測(cè)定裝置。裝置圖如圖1，每次測(cè)定重復(fù)5次，取平均值。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

2 結(jié)果與討論

2.1 篩分后麥麩粉體的粒徑分布

麥麩經(jīng)研磨篩分后呈現(xiàn)粒徑不同的顆粒，如圖2中所示:設(shè)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(dá)90%，而小麥糊粉的細(xì)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(xì)胞中泄露出的糊粉內(nèi)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(jié)構(gòu)層的抗研磨的性質(zhì)不同造成的。研究表明，麥麩是由外果皮，中間層和糊粉層構(gòu)成。這3層結(jié)構(gòu)層的細(xì)胞構(gòu)造不同，外果皮和中間層都由纖維狀細(xì)胞，其中，中間層的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，包括內(nèi)果皮、橫狀細(xì)胞、種皮和珠心層組成。糊粉細(xì)胞則由單層的厚細(xì)胞組成，厚度約整個(gè)麥麩的一半［11］，其細(xì)胞內(nèi)部的填充物松散，易被泄露出來(lái)。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(xì)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)條件下，糊粉細(xì)胞壁被熒光顯色劑染色顯示亮藍(lán)色，糊粉細(xì)胞內(nèi)容物中由于蛋白質(zhì)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(shí)還存在大量的已破裂的糊粉細(xì)胞。在圖3c中主要以糊粉層破碎后的細(xì)胞壁為主，說(shuō)明在麥麩2中主要以糊粉細(xì)胞壁為主;在圖3d中，存在大量的紅色的顆粒和藍(lán)色顆粒，主要是細(xì)小的麥麩糊粉層細(xì)胞壁和內(nèi)容物。這也印證了麥麩3中富集糊粉細(xì)胞內(nèi)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(xì)胞為主;麥麩2主要包含小麥糊粉層破碎的細(xì)胞壁;而糊粉層的內(nèi)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(cè)定結(jié)果

荷質(zhì)比是決定顆粒在靜電場(chǎng)中的遷移距離的最主要因素，可以作為電暈帶電后，靜電場(chǎng)分離效果的考察標(biāo)準(zhǔn)。從圖4中可以看出，當(dāng)電極上的電壓不大于40 kV時(shí)，麥麩粉體經(jīng)過(guò)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(shí)，3種麥麩的荷質(zhì)比逐步增加，但麥麩粉體間的荷質(zhì)比差異不明顯。當(dāng)電壓上升到46 kV時(shí)，單位質(zhì)量麥麩3所帶電荷明顯小于麥麩1和麥麩2所帶電荷。當(dāng)電壓繼續(xù)增加，麥麩1和麥麩2的荷質(zhì)比的差異越來(lái)越明顯。此時(shí)，單位質(zhì)量麥麩2的所帶電荷最多，達(dá)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(jié)構(gòu)有直接的關(guān)系。小麥麩皮主要是以纖維狀細(xì)胞存在，在破碎的過(guò)程中，產(chǎn)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(chǎng)中易被感應(yīng)帶電。麥麩3中主要是淀粉和糊粉的內(nèi)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(shù)較纖維大。造成了3種麥麩在電壓高于45 kV時(shí)，出現(xiàn)明顯的不同。

2.4 摩擦起電

2.4.1 谷粒摩擦起電測(cè)定結(jié)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(zhì)比具有明顯的差異。鐵是導(dǎo)體，在摩擦起電的過(guò)程中產(chǎn)生的電荷很快被導(dǎo)走，因此，基本測(cè)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(jīng)摩擦起電后，所帶電荷和其表面特性有關(guān)，在3種絕緣材料的摩擦起電效果中，小米經(jīng)摩擦起電后，單位質(zhì)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(jīng)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(qū)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(cè)定結(jié)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(dá)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(duì)麥麩的電特性進(jìn)行過(guò)研究，結(jié)果顯示，在含水量為2%時(shí)，對(duì)于D50=50 μm的麥麩細(xì)粉，摩擦起電后的荷質(zhì)比為7.2 nC/g，對(duì)于 D50=100 μm 的中等粒徑的麥麩顆粒的荷質(zhì)比為5.9 nC/g。3種麩皮之間經(jīng)過(guò)摩擦起電后所帶電荷的顯著性明顯。3種材料對(duì)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(cè)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(jié)論

總之，經(jīng)過(guò)超微粉碎后，通過(guò)篩分可以粒徑、組成不同的麥麩顆粒。通過(guò)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(shù)增大，絕緣效果較好，且粒徑最小，因此，獲得的電荷最少。對(duì)于摩擦起電材料，聚四氟乙烯的電負(fù)性最強(qiáng)，獲取電子的能力最強(qiáng)。經(jīng)摩擦起電后，易使得麥麩獲得最多的負(fù)電荷，是良好的摩擦起電材料，可以作為不同結(jié)構(gòu)層麥麩粉體的靜電場(chǎng)分離前處理的摩擦材料。

高壓靜電場(chǎng)是一種簡(jiǎn)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(guān)于生物質(zhì)材料在電場(chǎng)遷移行為的基礎(chǔ)研究較少，受到分離現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的影響較大，測(cè)定儀器復(fù)雜，需要很好的交叉學(xué)科的知識(shí)。此研究初步表明，高壓靜電場(chǎng)分離可以用于富集不同的生物質(zhì)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(yōu)勢(shì)和研究?jī)r(jià)值，在未來(lái)糧油加工中也將具有很廣的應(yīng)用。

［1］姚惠源.我國(guó)谷物加工學(xué)科的發(fā)展新走向［J］.糧食加工，2010，1(1):10 －13

［2］FAO.2011 Food and Agricultural commodities production［EBOL］.http://faostat.fao.org

［3］朱小喬，劉通迅.小麥麩皮的功能組分及其在食品中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用［J］.糧油食品科技，2000，8(6):4

［4］劉亞偉.小麥精深加工［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005:268－274

［5］姚惠源.全谷物健康食品發(fā)展趨勢(shì)［J］.糧食與食品工業(yè)，2012，9(01):1 －3

［6］Surget B.Histologie du grain de blé［J］.Industrie des Céréales，2005，145:3 －7

［7］Ramaswamy H S，Riahi E.Structure and Composition of Cereal Grains and Legumes［M］//Chakravery A，Mujumdar A S，Vijaya Raghavan G S，et al.Handbook of Postharvest Technology.New York:CRC Press.2003:1 －16

［8］Bacic A，Stone B.Chemistry and organization of aleurone cell wall components from wheat and barley［J］.Funct Plant Biol，1981，8(5):475 －495

［9］陳中偉，王莉，趙鑫，等.小麥糊粉層的研究現(xiàn)狀及前景［C］//中國(guó)糧油學(xué)會(huì).中國(guó)糧油學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2010

［10］張全國(guó)，楊群發(fā)，焦有宙，等.粉煤灰高壓靜電脫碳工藝特性的試驗(yàn)研究［J］.粉煤灰，2002，15(5):3 －6

［11］Evers A，Bechtel D，Pomeranz Y.Microscopic structure of the wheat grain［M］//Khan K，F(xiàn)argo，Shewry P R，et al.Wheat:chemistry and technology.St.Paul:AACC International，Inc.，1988:47 －95

［12］Antoine C，Peyron S，Mabille F，et al.Individual contribution of grain outer layers and their cell wall structure to the mechanical properties of wheat bran［J］.J Agr Food Chem，2003，51(7):2026 －2033

［13］Diaz A F，F(xiàn)elix－Navarro R M.A semi－quantitative triboelectric series for polymeric materials:the influence of chemical structure and properties［J］.J Electrost，2004，62(4):277－290

［14］Dascalescu L，Dragan C，Bilici M，et al.Electrostatic Basis for Separation of Wheat Bran Tissues［J］.IEEE Transactions on Industry Applications， 2010，46(2):659 －665.