小麦麸皮粉体的电学性质初探

陈中伟 王 莉 杨春霞 吴保承 田燕宁 陈正行

(粮食发酵工艺与技术国家工程实验室1，无锡 214122)

(江南大学食品学院2，无锡 214122)

(江苏省江大绿康生物工程技术研究有限公司3，无锡 214028)

(江南大学理学院4，无锡 214122)

麦麸是小麦粉厂的副产品，是我国的大宗农副产品。2010年我国小麦的产量为1.15亿吨，麦麸的产量高达2 000万吨［1－2］。小麦麸皮的营养价值丰富，含有蛋白质、膳食纤维、B族维生素、矿物质及抗氧化成分等8大类有利于人体健康的健康因子或功能因子［3－5］。目前，麦麸的增值加工主要以湿法为主。虽然较传统的麦麸利用方式(饲料和发酵基料)有所改进，但湿法加工仍然存在蒸汽能消耗大、成本高、营养成分损失严重和环境污染等诸多缺点，深加工利用率低，浪费严重。因此，小麦麸皮的加工增值是我国小麦深加工产业链亟需解决的问题之一。麦麸的干法增值技术能很好避免能耗和营养成分损失的不足，加工成本低，环境污染少，低碳环保。小麦麸皮由多个生理层组成，大致可以分为外果皮、中间层(内果皮、横状细胞、种皮和透明层)和糊粉层［6－7］。麦麸结构层的抗研磨特性不同，在相同的研磨强度下，会产生粒径差异明显的粉体。同时，小麦麸皮结构层的细胞几何结构和生化组成也存在较大的差异。外皮层和中间层以纤维状的细胞为主，糊粉层则是由单层细胞组成，其细胞内容物含有松散的小颗粒物质［8－9］。

电场分离技术是一种在粉煤灰和电路板金属回收产业广泛应用的干法分离技术［10］。主要的原理是利用不同物质的电特性不同，通过接触带电或者非接触带电后，产生的电荷不同，从而在静电场中的迁移距离不同，从而收集得到不同成分的产品。

本试验旨在对不同粒径和成分的小麦麸皮粉体，在电晕带电和摩擦起电两种方式下的电学特性进行初步研究，探索静电场对小麦麸皮结构层的分离作用，为生物质材料的电场分离进行探索。

1 材料与方法

1.1 材料和仪器

麦麸:中粮集团;小麦、稻米、小米:市售。

Q－500B3中药粉碎机:上海冰都电器有限公司;振动超微粉碎机(LWL 400):济南龙威制药设备有限公司;XC－600振动筛:新乡先臣振动机械有限公司;FS－20传送带:广东佛山传送带机械厂;A101电荷测定仪:青岛山纺仪器有限公司;摩擦管道:自制。

1.2 原料预处理

麦麸经振动筛分，除去部分残留淀粉。然后，利用中药粉碎机将麦麸粉碎至全部通过20目筛，将预粉碎后的麦麸，投入到超微振动粉碎机中，填充容量为1/3，粉碎20 min。然后，在35℃条件下烘干1 h，利用200目，325目筛进行振动筛分，为了减少微小颗粒对筛网的堵塞，在325目筛网架上添加超声波能量转化器，起清网作用，以增加筛分效果。收集筛下物得到3种不同粉体(麦麸1为200目筛上物，麦麸2为200目筛下物和325目筛上物，麦麸3为325目筛下物)，作电学特性研究。

1.3 粒径测定

将筛分后的麦麸颗粒在干燥器中贮存24 h，使其含水量稳定，避免颗粒的粘附对粒径测定带来影响。利用粒径分析仪测定麦麸粉体的粒径分布。采用干法吸入式(0.25 μm 到 2 000 μm，反射模式，颗粒形状为不规则)。利用系统自带软件获取粒径分布数据，并绘制粒径分布图。

1.4 荧光显微镜分析

将麦麸粉体镶嵌在2%的琼脂块中，选择合适的粉体与琼脂干物质比例，利用pH 7戊二醛溶液进行固定，然后利用不同浓度的酒精进行脱水。脱水后进行浸蜡与包埋，利用切片机切出4 μm薄片，利用1%的品红乙醇溶液和0.01%的荧光增白剂溶液分别染色2 min，洗净染色液，封片，然后进行荧光观测［7］。利用荧光显微镜，在激发光(400～410 nm)条件下，进行荧光观测。

1.5 电学测定

将筛分后的麦麸粉体放入干燥器中存放12 h，室温下，使其缓慢干燥，避免粉体结块。在进行电学试验前，将粉体平铺在接地的金属容器中，使其充分的放电。

1.5.1 电晕带电

称取5～10 g的麦麸样品，平铺在绝缘传送带5 cm×60 cm的区域上。在传送带上方约5 cm处放置电晕电极，电极上接直流高压电源。样品粉体随传送带以6 cm/s的速度通过高压电极下方，传送带末端放置法拉第筒，以收集带电粉体，进行电荷测定。装置图如图1。测定时的温度范围为:15～20℃;湿度范围:50%～60%。每个样品重复测定5次，以平均值和标准偏差的形式表示。

1.5.2 摩擦起电

选择聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和铁4种不同材料作为摩擦起电的管道，为了确定4种摩擦起电材料的摩擦序列，在测定小麦粉体的摩擦起电带电特性之前，选择稻米，大米、麦粒和小米4种原料进行摩擦起电试验。将具体麦麸样品测定步骤如下，称取5～10 g麦麸样品，投入到气流管道的进料口，利用固定的气流控制麦麸粉体在管道中摩擦的速度，管道末端接电荷测定仪的法拉第筒，同时，在法拉第筒的入口添加网筛，防止粉体飞扬出测定装置。装置图如图1，每次测定重复5次，取平均值。

图1 试验装置图

2 结果与讨论

2.1 筛分后麦麸粉体的粒径分布

麦麸经研磨筛分后呈现粒径不同的颗粒，如图2中所示:设定麦麸1代表200目筛上物，麦麸2代表介于200目筛和325目筛的粉体;麦麸3为介于325目筛下物和400目筛的粉体。麦麸4是400目筛下物。由图2a中可以看出，麦麸1～麦麸3具有明显不同的粒径分布。3种粉体的粒径峰值分别为:156、82、20 μm。由图2b粉体颗粒体积积累曲线同样可以看出，麦麸3与麦麸4的粒径分布较为相近，两种麦麸中小于50 μm的颗粒达90%，而小麦糊粉的细胞大小约为50～60 μm。所以，麦麸3和麦麸4中的粉体中可能含有绝大部分的从糊粉细胞中泄露出的糊粉内容物。而麦麸1和麦麸2的粒径不同，主要是由于组成麦麸的不同生理结构层的抗研磨的性质不同造成的。研究表明，麦麸是由外果皮，中间层和糊粉层构成。这3层结构层的细胞构造不同，外果皮和中间层都由纤维状细胞，其中，中间层的结构更为复杂，包括内果皮、横状细胞、种皮和珠心层组成。糊粉细胞则由单层的厚细胞组成，厚度约整个麦麸的一半［11］，其细胞内部的填充物松散，易被泄露出来。有研究表明，破碎麦麸外果皮所需的能量最少，其次为糊粉层细胞，而使得中间层崩塌的能量最高。并且麦麸径向和轴向上，不同结构层的抗拉伸的能力也不同［12］。

图2 筛分后小麦麸皮粉体的粒径分布

2.2 荧光定性麦麸粉体的组成

由图3a所示，在荧光显微镜(400～410 nm)波长条件下，糊粉细胞壁被荧光显色剂染色显示亮蓝色，糊粉细胞内容物中由于蛋白质的存在，被酸性品红染成红色，小麦淀粉不被染色。图3b是麦麸1的荧光显微图，黄绿色的外皮层和中间层占大部分，同时还存在大量的已破裂的糊粉细胞。在图3c中主要以糊粉层破碎后的细胞壁为主，说明在麦麸2中主要以糊粉细胞壁为主;在图3d中，存在大量的红色的颗粒和蓝色颗粒，主要是细小的麦麸糊粉层细胞壁和内容物。这也印证了麦麸3中富集糊粉细胞内容物的猜想。综合图3b～图3d可知，麦麸1中主要以小麦外皮层和部分被破碎的大颗粒的糊粉细胞为主;麦麸2主要包含小麦糊粉层破碎的细胞壁;而糊粉层的内容物则主要富集在麦麸3中。

图3 不同麦麸粉体的荧光显微图

2.3 电晕带电测定结果

荷质比是决定颗粒在静电场中的迁移距离的最主要因素，可以作为电晕带电后，静电场分离效果的考察标准。从图4中可以看出，当电极上的电压不大于40 kV时，麦麸粉体经过电晕放电后基本不显示电荷，随着电压逐步由41 kV增加至45 kV时，3种麦麸的荷质比逐步增加，但麦麸粉体间的荷质比差异不明显。当电压上升到46 kV时，单位质量麦麸3所带电荷明显小于麦麸1和麦麸2所带电荷。当电压继续增加，麦麸1和麦麸2的荷质比的差异越来越明显。此时，单位质量麦麸2的所带电荷最多，达8.1 nC/g。其次为麦麸1，麦麸3所带电荷最少。

图4 不同电压下麦麸粉体的电晕带电效果

3种麦麸粉体在电晕带电后所带电荷量与它们的组成，结构有直接的关系。小麦麸皮主要是以纤维状细胞存在，在破碎的过程中，产生了许多纤维碎片，由显微图可以看出，麦麸1和麦麸2主要是有纤维状碎片组成。这些纤维状颗粒在高压电场中易被感应带电。麦麸3中主要是淀粉和糊粉的内容物，颗粒粒径微小，且脂肪含量较麦麸1和麦麸2高，脂肪的介电常数较纤维大。造成了3种麦麸在电压高于45 kV时，出现明显的不同。

2.4 摩擦起电

2.4.1 谷粒摩擦起电测定结果

如图5中所示，稻谷、大米、小麦和小米在不同管道中摩擦起电后的荷质比具有明显的差异。铁是导体，在摩擦起电的过程中产生的电荷很快被导走，因此，基本测不到电荷。聚丙烯，聚氯乙烯和聚四氟乙烯是良好的绝缘材料，3种材料都具有良好的摩擦起电的性能，其中聚四氟乙烯的摩擦起电的效果最佳。4种不同的谷物经摩擦起电后，所带电荷和其表面特性有关，在3种绝缘材料的摩擦起电效果中，小米经摩擦起电后，单位质量所带电荷最少。其次是稻谷，但与聚四氟乙烯的摩擦后，所带电荷骤然增加。小麦和经脱糠处理后的大米的摩擦起电效果在与3种绝缘材料摩擦后都有明显的区别。总之，3种绝缘材料的摩擦起电顺序从大到小为聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯。这与Diaz A F等［13］获得的摩擦起电材料的序列相同。

图5 不同管道材料与谷粒摩擦带电效果

2.4.2 麦麸粉体摩擦起电测定结果

由图6可以看出，麦麸2与3种绝缘材料摩擦后，所带电荷最多，达5.4 nC/g。其次是麦麸3，麦麸1的摩擦起电效果最差。Dascalescu L等［14］也对麦麸的电特性进行过研究，结果显示，在含水量为2%时，对于D50=50 μm的麦麸细粉，摩擦起电后的荷质比为7.2 nC/g，对于 D50=100 μm 的中等粒径的麦麸颗粒的荷质比为5.9 nC/g。3种麸皮之间经过摩擦起电后所带电荷的显著性明显。3种材料对麦麸的摩擦起电的效果序列为:聚四氟乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯。铁管道与麦麸摩擦后几乎检测不到电荷。

图6 麦麸颗粒与不同材料管道摩擦带电效果

3 结论

总之，经过超微粉碎后，通过筛分可以粒径、组成不同的麦麸颗粒。通过电晕带电和摩擦起电两种方式给电后，不同麦麸颗粒所带电荷有着明显差异。其中麦麸2在电晕带电和摩擦起电后，所带电荷均最多，给电效果最好。在电晕给电条件下，由于麦麸3中存在较多的脂肪，介电常数增大，绝缘效果较好，且粒径最小，因此，获得的电荷最少。对于摩擦起电材料，聚四氟乙烯的电负性最强，获取电子的能力最强。经摩擦起电后，易使得麦麸获得最多的负电荷，是良好的摩擦起电材料，可以作为不同结构层麦麸粉体的静电场分离前处理的摩擦材料。

高压静电场是一种简单快速分离金属与非金属材料的方法，但用于非金属材料的分离极少，主要原因是关于生物质材料在电场迁移行为的基础研究较少，受到分离现场环境条件的影响较大，测定仪器复杂，需要很好的交叉学科的知识。此研究初步表明，高压静电场分离可以用于富集不同的生物质材料，可以克服湿法分离方式能耗高、污染重和成本高等缺陷，具有明显的优势和研究价值，在未来粮油加工中也将具有很广的应用。

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