麦麸结构层粉体的电特性研究

陈中伟，夏 清，黄清清，孙 俊，徐 斌，姜 松

麦麸结构层粉体的电特性研究

陈中伟1,2，夏 清1，黄清清1，孙 俊1，徐 斌1，姜 松1

（1. 江苏大学食品与生物工程学院，镇江 212013；2. 江苏大学农产品加工工程研究院，镇江 212013）

为了确定麦麸结构层粉体静电场分离的可行性，该文以高纯度麦麸糊粉层和外果皮粉体为原料，研究其介电性、导电性和电晕带电特性的差异。结果表明，麦麸粉体的介电常数随频率的增加而降低，最终趋于一致；当频率较低时，外果皮的相对介电常数明显低于糊粉层；当频率为300 MHz时，两者的介电常数之比最大达5.3；麦麸粉体的导电性差，糊粉层粉体的电阻率为2 300 MΩ/cm，为外果皮电阻率的5倍；经正电晕带电后，糊粉层粉体所获电荷量约为外果皮的1.7倍，具有明显差异；单位质量麦麸粉体所获电荷量随电晕电压的增加而增加，而随麦麸粉体的含水率和粒径的增大而减小。总之，麦麸结构层粉体的介电性、导电性和电晕带电性均存在明显差异，可以利用介电泳和电晕带电后的静电场分离技术对麦麸结构层进行分离纯化。

小麦；农产品；麦麸；糊粉层；静电分离；介电性；导电性；电晕带电

0 引 言

麦麸是中国的大宗粮食副产物，年产量达2 000万t[1]。麦麸富含膳食纤维、B族维生素、矿物质等营养功能组分，具有预防Ⅱ型糖尿病和心脑血管病等潜在生理功能，是全麦食品的关键组分[2-5]。麦麸具有典型的多层生物质结构，由外果皮、中间层和糊粉层组成，分别约占麦麸质量的20%、30%和50%[6]。研究表明，麦麸中的营养组分主要富集在糊粉层中[7]；同时，糊粉层的污染较少且具有良好的加工特性[8-9]。因此，小麦糊粉层极具食品开发价值。然而，目前麦麸主要被用作饲料或发酵基料，资源浪费严重。为提高麦麸糊粉层的食品利用率，国内外开发了多种麦麸糊粉层分离方法，例如酶法水解、湿法沉降[10-13]、筛分、气流分级等[14]。然而，由于分离效率较低，同时易造成营养组分流失或功能丧失，分离技术均未达到规模化应用。

静电分离技术是一种基于物料的电学特性实现分离的干法分离技术，可分为电晕带电式、摩擦起电式和介电泳式[15]。与湿法分离技术相比，静电分离具有高效率、低能耗、无废水等优势，应用前景良好[16]。研究表明，麦麸结构层在组成和结构上均具有明显区别。在结构上，糊粉层为厚实细胞，含有大量细胞内容物，而外果皮和内果皮为中空纤维细胞，种皮和透明层为膜结构[17-19]；在化学组成上，糊粉层和非糊粉层的多糖组成及交联程度有明显差异[20-22]。因此，麦麸结构层可能具有明显不同的电学特性。同时，不同的静电分离方式，对物料的电学特性要求也不同[23]。例如，电晕带电要求欲分离颗粒具有不同的导电性（电阻率不同），摩擦带电分离则要求粉体具有不同的摩擦带电性。目前，麦麸等谷物组分的电学特性研究主要集中在摩擦起电特性，对导电性和介电性的研究较少[24-25]。同时，所研究的物料多为麦麸结构层[26]，少有学者以麦麸结构层粉体为研究对象，对其介电特性、导电性进行研究。同时，含水率及粒径等对麦麸粉体的电晕带电特性影响的研究也相对缺乏。

本研究以高纯度麦麸糊粉层、外果皮粉体为原料，对其介电特性、导电性和电晕带电性的差异进行研究，并测定原料含水率、颗粒粒径等对麦麸粉体电晕带电特性的影响，从而确定介电泳和电晕带电静电分离麦麸结构层（糊粉层和外果皮）粉体的可行性，为静电分离在农产品和食品组分分离中的应用提供理论和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

1.1.1 原料与试剂

麦麸糊粉层粉体、外果皮粉体、不同粒径的麦麸粉体：(100-120)（100目筛下～120目筛上物），(120-150)（120目筛下～150目筛上物），(150-200）（150目筛下～200目筛上物）、不同含水率（2%、7%和13%）的麦麸粉体，实验室自制；硝酸镁、氯化钠、标示物测定所用试剂，国药集团化学试剂有限公司。

1.1.2 仪器与设备

E5061A网络分析仪，美国安捷伦科技有限公司；CX-31光学显微镜，日本奥林巴斯工业有限公司；SZT-D型半导体粉末电阻率测试仪，苏州晶格电子有限公司；DC-60高压直流电源，天津市慧达电子元件厂；A101静电荷测定仪，青岛山纺仪器有限公司；小型传送带，东莞市精川机械设备厂；DHG-9075电热恒温鼓风干燥箱，上海捷呈实验仪器有限公司；DEM-F490空气加湿器，德尔玛电器有限公司；OMEGA-RH92温湿度测定仪，上海思百吉仪器系统有限公司；Microtrac 3500粒径分析仪，美国麦奇克仪器有限公司；Agros2D软件（版本：3.2.0.0）。

1.2 试验方法

1.2.1 麦麸结构层粉体的显微结构和粒径测定

麦麸粉体中结构层比例的测定参考文献[19]。麸皮显微结构观测方法：将少量麦麸粉体置于盖玻片上，滴加去离子水后盖上盖玻片，置于显微镜下观测，选取代表性图片。粒径的测定方法：样品量0.2 g，进样方式：干法吸入，测定模式：反射，颗粒形状：不规则，测定粒径范围：0.25～2 000m。每个样品测定2次，取平均值获取粒径分布数据。

1.2.2 麦麸结构层的介电性测定

将麦麸糊粉层和外果皮粉体（50=160m、7%含水率）均匀铺于平皿中，厚度约为2 cm。开启网络分析仪，利用蒸馏水进行校准后，选择单轴模式进行分析，频率：300～105kHz，数据采集间隔1.0 MHz，测定不同频率下样品的介电常数，每个样品至少测定2次，取平均值。

1.2.3 麦麸结构层的导电性测定

称取麦麸糊粉层和外果皮各10.0 g，用仪器所配的小勺取粉末样品加入SZT-D型粉末电阻率测试仪的测定腔中（：11.3 mm，高度：10.0 mm），直至加满。利用压力构件将粉体压实，监测样品厚度变化，直至其变化率小于5%。压力每增大20 kg，记录下相应电阻率。

1.2.4 麦麸结构层的电晕带电性

不同含水率样品的制备：称取粒径(120-150)的麦麸粉体20.0 g，置于105 ℃烘箱中，直至样品的含水率小于2%；称取20.0 g麦麸，利用空气加湿器对麦麸粉体加湿，直至含水率为13%左右，并置于含NaCl饱和溶液的容器隔层中密封待测。

麦麸粉体电晕带电测定装置（如图1）由高压电源、电极、传送带和电荷测定仪（含法拉第筒）组成。测定步骤如下，称取10.0 g样品，利用筛网将粉体均匀铺撒在传送带上5 cm×60 cm的区域内，接通高压电源，开启传送装置使样品以6 cm/s的速率通过电晕电极下方，并震落至法拉第筒中。然后，利用静电荷测定仪测定法拉第筒中麦麸粉体的总电荷量。采用上述方法分别测定不同麦麸结构层（外果皮和糊粉层，含水率7%）、不同含水率样品（2%，7%和13%）以及不同粒径（含水率7%）麦麸粉体的电晕带电量。其中，2%，7%和13%分别对应烘干至绝干条件下、粉碎之后，以及谷物安全水分条件下的麦麸粉体。电压的设定范围为40～50 kV，环境温度和湿度分别为(25±2)℃和35%±5%。每个样品测定5次，取平均值[27]。

图1 麦麸粉体的电晕带起电特性测定装置示意图

2 试验结果与讨论

2.1 麦麸结构层富集物的生化组成、显微结构和粒径分布

试验所用麦麸粉体中结构层的比例见表1。糊粉层富集物中含77.2%的糊粉层，远高于麦麸所含糊粉层的比例（40%～50%），而外果皮质量分数为9.3%；外果皮富集物所含外果皮的比例超过80%，糊粉层和中间层的比例均小于10%；2种粉体中胚乳质量分数均小于5%。

表1 外果皮富集物和糊粉层富集物的组成

糊粉层富集物和外果皮富集物粉体的显微结构见图2。外果皮呈纤维状碎片，糊粉层呈网状细胞结构。

图2 麦麸外果皮和糊粉层粉体的显微结构

由图2可知，外果皮粉体主要由半透明的片状碎片组成，糊粉层所占比例很小（图2a）；糊粉层富集物主要由网格状细胞簇组成，仅含有少许棕色片状颗粒（图2b）。同时，2类麦麸粉体中几乎不含淀粉颗粒，这与生化测定结果相近。综上，麦麸糊粉层和外果皮富集物的纯度均超过75%，因此，可以代表糊粉层和外果皮粉体用于电学特性测定。

试验所用麦麸粉体的粒径见图3a、3b和3c分别代表(100-120)、(120-150)、(150-200)3种麦麸粉体的显微结构，3d、3e和3f则分别显示3类粉体的粒径分布。由图可知，3种粉体的粒径分布曲线均呈单峰正态分布，50分别为213、162和105m。同时，3种麦麸粉体中糊粉层和外果皮的比例均在37%和15%左右，只存在粒径上的差异，可以用于测定粒径对麦麸粉体的电晕带电特性的影响。

注：F为对应粒径筛上的麦麸。

2.2 麦麸结构层粉体的介电性

相对介电常数又称相对电容率，是表征电介质或绝缘材料介电性能的一个重要参数。介电常数越大，代表在相同电压条件下材料可储存的静电能越大。麦麸结构层粉体在不同频率下的介电特性见图4。

当测定频率为300 kHz时，外果皮粉体的相对介电常数约为1.7，不足空气介电常数（≈1）的2倍，而糊粉层的介电常数为9.0。这与Antoine等[26]对麦麸结构层薄膜介电性的测定结果一致。其结果也表明，在较低频率下，湿度为58%～75%，外果皮的相对介电常数约为1，近似于空气的介电常数，而麦麸糊粉层的相对介电常数约为5.6。当测定频率为1.3 MHz时，两者介电常数之比最大达5.3。糊粉层和外果皮粉体的相对介电常数均达到最大，此时外果皮的介电常数为3.5，约为糊粉层粉体介电常数的1/3；当测定频率进一步增大时，糊粉层和外果皮粉体的相对介电常数均逐渐减小；当测定频率大于20 MHz时，糊粉层和外果皮的介电常数趋于一致。这主要是由外果皮和糊粉层的结构不同造成的。外果皮是中空细胞，而糊粉层则为厚实细胞，含有蛋白质、脂肪粒等绝缘组分[6]。由于脂类、蛋白质等组分的介电性高于空气。因此，麦麸糊粉层的介电常数高于外果皮。

图4 不同频率下麦麸外果皮富集物和糊粉层富集物的相对介电常数变化趋势

综上，糊粉层和外果皮在0.3～1.3 MHz之间的差异性最大，差异性明显。在实际介电泳分离中，电场的频率小于0.3MHz。但由于本试验所用网络分析仪的最小测定精度限制（最小300 kHz，间隔1 MHz），因此，在0.3～1.3 MHz之间的数据缺乏，无法确定两者差异性最大的具体频率，以及在0～0.3 MHz时的最大介电常数。在后续的研究中，仍然需要寻找宽测定范围，高灵敏度的仪器，从而测定接近交流电场频率条件下的麦麸粉体的介电性。

一般而言，静电场分离采用匀强电场或非匀强电场作为分离场。在非匀强电场中，主要基于介电泳实现颗粒的分离，即因物料极化而产生差异性运动。因此，即使不带电的微粒，在非匀强电场中也将被诱导迁移，例如静电除尘[28]。介电电泳力大小可以表示为[29]

式中颗粒半径；Δ：颗粒所在位置的电场强度差；0：空气的介电常数；K为颗粒的相对介电常数；K为非匀强电场所在流体的相对介电常数。由上述公式可知，介电泳力的方向与流体介质与颗粒的介电常数之差有关。当K<K，介电电泳力为负值，颗粒将向场强小的方向移动；当K>K，介电泳力为正值，颗粒将向场强大的方向移动。

由上述公式可知，物料与介质的介电常数差异决定其所受介电泳力的大小。根据本文测定结果可知，外果皮和糊粉层的介电常数均高于空气（相对介电常数=1）。因此，二类麦麸颗粒在非匀强电场中均向高场强方向移动。根据非匀强电场（双正极板）的模拟结果（图5），在电压45 kV，极板距离为50 cm的非匀强电场中，由电场中轴至极板，场强逐渐增大。糊粉层和外果皮颗粒受介电泳力向极板方向迁移。由于糊粉层的介电常数约是外果皮的4～5倍，所以，相同电场强度下，糊粉层的迁移距离远远大于外果皮，从而实现二者的分离。

图5　非匀强电场中电场强度分布

2.3 麦麸结构层粉体的导电性

外果皮和糊粉层粉体的电阻率与压力的关系见图6。由图可知，压力越大，麦麸粉体紧实度越高，则外果皮和糊粉层粉体的电阻率越小。当压强大于150 kg时，麦麸粉体的电阻率趋于稳定。此时，外果皮的比电阻率约为432 MΩ/cm，糊粉层的电阻率为2 300 MΩ/cm，约为外果皮电阻率的5倍。

图6 麦麸糊粉层富集物和外果皮富集物的电阻率

结合麦麸结构层介电性可知，外果皮和糊粉层粉体的电阻率与其介电性的结果相似。Antoine等[26]利用介电谱仪分析了麦麸结构层薄膜的介电性。其结果表明，外果皮颗粒的电阻率高于糊粉层和中间层，麦麸糊粉层则表现出较高的介电性。这与本研究的结果不同，主要原因在于测定方法和样品不同造成。由于电阻率测定时需要将粉体压实，导致外果皮的中空细胞结构变化，其导电性随压力的升高而降低。但该结果明确显示麦麸糊粉层和外果皮粉体的导电特性具有明显差异，可以利用电晕带电获取不同电荷量，进而实现静电分离。

2.4 麦麸结构层的电晕带电性

在麦麸粉电晕带电性的测定过程中，当电压高于40.0 kV时，麦麸结构层粉体所获电荷量开始大于静电电荷测定仪测定限（1.0 nC）。当电压达到50.0 kV时，电晕电极击穿空气，开始产生电火花，故测定最高电压设定为50.0 kV。

2.4.1 不同麦麸结构层粉体的电晕带电性

由图7可知，随着电晕电压的逐渐增加，糊粉层和外果皮粉体所获电荷量均逐渐增加，且糊粉层富集物所获电荷量多于外果皮；当电晕电压为50 kV时，单位质量外果皮富集物所获电荷量为5.9 nC/g，而单位质量糊粉层富集物所获电荷量为9.8 nC/g，约为外果皮所获电荷量的1.7倍。Dascalescu等[24]研究结果也表明，在相同电晕电压下，糊粉层所获电荷量高于麸皮。由于麸皮包含糊粉层和外果皮，因此，其结果也表明糊粉层颗粒电晕带电所获电荷量要高于外果皮，这与本试验结果一致。

图7 糊粉层富集物和外果皮富集物的电晕带电特性

2.4.2 含水率对麦麸粉体电晕带电性的影响

由图8可知，随着电晕电压的增加，不同含水率的麦麸粉体所获电荷量均逐渐增大。在相同电压下，麦麸粉体所获电荷量均随含水率增加而减少；即麦麸粉体的含水率越低，经电晕带电后所获电荷量越多，这与Dascalescu 等[24]的研究结果是一致的。其结果也表明，含水率2%的麦麸粉体经电晕带电后所获电荷量约为含水率10%的麦麸粉体的4倍。相似的，Hemery等[25]的研究也表明，含水率较低的麦麸粉体所获电荷量更高。当含水率为10%时，糊粉层所获电荷量高于外果皮，且电荷的耗散速率较慢。原因在于，高含水率使外果皮性质接近于导体，电荷耗散速率加快。因此，部分电荷在测定之前已耗散；当含水率为2%时，外果皮颗粒电荷耗散速度较慢，故测得的电荷量较大。对于麸皮粉体，也存在相似结论。

图8 不同含水率麦麸粉体的电晕带电特性

总之，含水率对麦麸粉体的电晕带电性影响较大。因此，在麦麸粉体电晕带电时，要充分干燥麦麸粉体，降低粉体表面的电荷耗散速率。另外，由于麦麸糊粉层和外果皮的吸水性不同[25]，降低含水率也可以两者的带电（耗散）差异性增大，从而实现麦麸结构层间的分离。

2.4.3 粒径对麦麸粉体电晕带电性的影响

由图9可知，随着电晕电压的增加，不同粒径的麦麸粉体所获电荷量均增大。在相同电压下，麦麸粉体的粒径越小，单位质量粉体经电晕带电所获电荷量越多。这可能与粉体的比表面积和电荷耗散时间有关。Hemery等[25]研究了不同粒径的麦麸的电荷耗散时间，结果显示，小粒径（50=49m）麦麸的电荷耗散时间为中等粒径（50=102m）麦麸粉体的4倍。

图9 不同粒径麦麸粉体的电晕带电性

Bendaoud等[30]曾研究过不同极性的电晕电极的带电效果。结果显示，负电晕具有较优的带电量（电流），但不影响带电量与电压趋势。因此，在相同的电场强度条件下，具有不同电晕带电性的物料将显示出较为明显的差异，与电压极性没有绝对关联。然而，为了获得更精确的麦麸粉体的电晕带电，应该进一步研究不同极性电晕对麦麸粉体的带电效果。总之，经电晕带电后，麦麸粉体颗粒的粒径越小，单位质量粉体所获电荷量越多。因此，在保证麦麸结构层完整性（糊粉层大于50m）和小颗粒不被吸附的前提下，应该尽量减少麦麸粉体的粒径，提高其电晕带电性和电荷缓释特性的差异性，从而实现麦麸结构层的静电分离效果。

理论上，电晕带电式静电分离需要经过3个过程：1）电晕诱导欲分离颗粒获得电荷；2）带电颗粒所带电荷量不同或者差异化释放；3）静电场诱导带电量不同的颗粒发生分离。由本文结果可知，经过电晕带电后，麦麸糊粉层和外果皮粉体可以获得电荷，并且前者所获电荷是后者的2倍。同时， Hemery等[31]的研究结果表明，麦麸糊粉层和外果皮的带电后的电荷释放特性具有明显差异性。因此，糊粉和外果皮的电学特性符合上述3个基本条件，具有电晕带电分离的可行性。部分学者利用电晕带电式静电场分离实现了部分大颗粒农产品粉体的分离，例如玉米纤维[32]、茶叶（梗）[33]的分离和富集。但是，以上实例中均采用大颗粒物料（＞500m）作为原料。因此，对于麦麸结构层的电晕带电式静电分离，应该较大程度上避免过度粉碎，减少颗粒间的粘附和团聚。

3 结 论

1）麦麸糊粉层和外果皮粉体的介电特性和导电性均有较大差异。麦麸结构层的介电特性随测定频率逐渐降低，最终与外果皮趋于一致。湿度为58%～75%外果皮的介电特性与空气相近，相对介电常数约为1.7；糊粉层与外果皮的介电常数之比最大达5.3；当麦麸粉体被压实后，麦麸糊粉层粉体的电阻率约为外果皮粉体的5倍。

2）麦麸糊粉层和外果皮的电晕带电特性具有明显差异。相同条件下，麦麸糊粉层粉体的电晕带电性优于外果皮粉体，并受到粉体粒度、含水率和电场强度的显著影响。

3）基于麦麸糊粉层和外果皮在介电性和电晕带电性上的显著差异，麦麸糊粉层和外果皮可以通过介电泳和电晕带电后实现静电场分离，且后者采用较大原料颗粒即可实现静电分离。

[1]姚惠源. 中国粮食加工科技与产业的发展现状与趋势[J]. 中国农业科学，2015，48(17)：3541－3546.

Yao Huiyuan. The present development status and tendency of grain processing technology and industry in China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2015, 48(17): 3541－3546. (in Chinese with English abstract)

[2]Jacobs D R J. The whole cereal grain is more informative than cereal fibre[J]. Nature Reviews Endocrinology, 2015, 11(7): 389－326.

[3]Lillioja S, Neal A L, Tapsell L, et al. Whole grains, type 2 diabetes, coronary heart disease, and hypertension: Links to the aleurone preferred over indigestible fiber[J]. Biofactors, 2013, 39(3): 242－258.

[4]Tighe P, Duthie G, Vaughan N, et al. Effect of increased consumption of whole-grain foods on blood pressure and other cardiovascular risk markers in healthy middle-aged persons: a randomized controlled trial[J]. American Journal of Clinical Nutrition, 2010, 92(4): 733－740.

[5]Fardet A. New hypotheses for the health-protective mechanisms of whole-grain cereals: What is beyond fibre?[J]. Nutrition Research Reviews, 2010, 23(1): 65－134.

[6]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]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2003, 51(7): 2026－2033.

[7]Buri R, Von Reding W, Gavin M. Description and characterization of wheat aleurone[J]. Cereal Foods World, 2004, 49(5): 274－282.

[8]Laca A, Mousia Z, Dı́az M, et al. Distribution of microbial contamination within cereal grains[J]. Journal of Food Engineering, 2006, 72(4): 332－338.

[9]Fleurat-Lessard F, Chaurand M, Marchegay G, et al. Effects of processing on the distribution of pirimiphos-methyl residues in milling fractions of durum wheat[J]. Journal of Stored Products Research, 2007, 43(4): 384－395.

[10]Buksa K, Praznik W, Loeppert R, et al. Characterization of water and alkali extractable arabinoxylan from wheat and rye under standardized conditions[J]. Journal of Food Science and Technology-Mysore, 2016, 53(3): 1389－1398.

[11]Bohm A, Bogoni C, Behrens R, et al. Method for the extraction of aleurone from bran; US 8029843 B2 [P]. 2011-10-4.

[12]胡燃，张慜，陈世豪. 酸水解麦麸蛋白质及氨基酸分析[J]. 食品与生物技术学报，2015，34(1)：90－93.

Hu Ran, Zhang Min, Chen Shihao. Hydrolysis of wheat bran protein by acid and amino acid analysis of hydrolyzate[J]. Journal of Food Science and Biotechnology, 2015, 34(1): 90－93. (in Chinese with English abstract)

[13]陈中伟，廉文蕾，吴保承，等. 小麦麸皮结构层中抗氧化物质的研究[J]. 食品工业科技，2012，33(23)：66－68，72.

Chen Zhongwei, Lian Wenlei, Wu Baocheng, et al. Research on antioxidant substance extracted from different wheat bran structure layers[J]. Science and Technology of Food Industry, 2012, 33(23): 66－68, 72. (in Chinese with English abstract)

[14]陈中伟，王莉，杨春霞，等. 小麦麸皮结构层干法分离的初步研究[J]. 中国粮油学报，2013，28(1)：11－15.

Chen Zhongwei, Wang Li, Yang Chunxia, et al. Preliminary study on the dry-process separation of different wheat bran structural layers[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2013, 28(1): 11－15. (in Chinese with English abstract)

[15]Brands L, Beier P-M, Stahl I. Electrostatic Separation[M]. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2000.

[16]Barakat A, Jérôme F, Rouau X. A dry platform for separation of proteins from biomass-containing polysaccharides, lignin, and polyphenols[J]. ChemSusChem, 2015, 8(7): 1161－1166.

[17]Stevens D J. The aleurone layer of wheat III. Isolation and scanning electron microscope examination of the layer and of its component parts[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture, 2010, 24(3): 307－317.

[18]Onipe O O, Jideani A I O, Beswa D. Composition and functionality of wheat bran and its application in some cereal food products[J]. International Journal of Food Science & Technology, 2015, 50(12): 2509－2518.

[19]陈中伟. 麦麸糊粉层细胞簇的机械剥离及电场富集研究[D]. 无锡：江南大学，2015.

Chen Zhongwei. Mechanical Dissociation and Electric Separation of Aleurone Cell-Cluster From Wheat Bran[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[20]Fincher G B, And B A S, Clarke A E. Arabinogalactan- proteins: Structure, biosynthesis, and function[J]. Annual Review of Plant Physiology, 1983, 34(34): 47－70.

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

[22]Parker M L, Ng A, Waldron K W. The phenolic acid and polysaccharide composition of cell walls of bran layers of mature wheat (Triticum aestivum L. cv. Avalon) grains[J]. Journal of the Science of Food & Agriculture, 2010, 85(15): 2539－2547.

[23]Foster, F. and R. Oliver, Electrostatic separation of solids. Industrial & Engineering Chemistry[J], 1940, 32(5): 600－604.

[24]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.

[25]Hemery Y, Rouau X, Dragan C, et al. Electrostatic properties of wheat bran and its constitutive layers: Influence of particle size, composition, and moisture content[J]. Journal of Food Engineering, 2009, 93(1): 114－124.

[26]Antoine C, Castellon J, Toureille A, et al. Comparison of constitutive wheat bran tissues by dielectric spectroscopy and effect of their moisture content[J]. Polymer International, 2004, 53(12): 2169－2177.

[27]陈中伟，王莉，杨春霞，等. 小麦麸皮粉体的电学性质初探[J]. 中国粮油学报，2013，28(2)：1－5.

Chen Zhongwei, Wang Li, Yang Chunxia, et al. Primary investigation for electrical properties of wheat bran powder[J]. Journal of the Chinese Cereals and Oils Association, 2013, 28(1): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[28]朱继保. 细颗粒物的电收集技术研究[D]. 杭州：浙江大学，2010.

Zhu Jibao. Fine Particle Collection With Electrostatic Precipitation[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[29]Jones T B. Electromechanics of Particles[M]. Cambridge：Cambridge University Press, 2005.

[30]Bendaoud A, Tilmatine A, Medles K, et al. Experimental study of corona discharge generated in a modified wire-plate electrode configuration for electrostatic process applications[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010, 46(2): 666－671.

[31]Hemery Y M, Mabille F, Martelli M R, et al. Influence of water content and negative temperatures on the mechanical properties of wheat bran and its constitutive layers[J]. Journal of Food Engineering, 2010, 98(3): 360－369.

[32]Pandya T, Srinivasan R, Thompson C P. Fiber separation from ground corn flour using electrostatic method[J]. Cereal Chemistry, 2013, 90(6): 535－539.

[33]Hayakawa S, Sakaguchi E, Yamashita R. Conditions of suited for separation of tea stems by electrostatic separator[J]. Journal of Institution of Agriculture Machine, 1985, 47(1): 107－112.

Electrical properties of wheat bran structural layer powder

Chen Zhongwei1,2, Xia Qing1, Huang Qingqing1, Sun Jun1, Xu Bin1, Jiang Song1

(1.,,212013,; 2.,,212013,)

Wheat bran is a good source for processing whole wheat food. Due to the nutrition enrichment of aleurone in wheat bran tissues, separating wheat aleurone from wheat bran could increase its potential value. Electrostatic separation (ES) is a new dry separation technology with high efficiency, low energy consumption and few waste water, based on electrical properties of materials, including corona charging, tribo-charging and dielectrophoresis. However, few studies were conducted on the dielectricity, resistivity and corona charging property of the powders from different wheat bran tissues, which are important for ES. Moreover, the influence of water content and particle size on corona charging properties of bran particles is not clear yet. To clarify the electrical properties of wheat bran tissues and the potential of ES on separating cereal bio-material , the dielectric, conductivity and corona charging properties of wheat bran powders were investigated by using bran particles with different composition, particle sizes and water content as the starting material. The results showed that, both the dielectric constant of aleurone-rich and outer-rich pericarp particles decreased with the frequency increased. When the frequency was up to 20 MHz, the dielectric constant of aleurone and outer pericarp-rich fractions finally tended to be similar. When the frequency was 300 kHz, the dielectric constant of outer pericarp-rich fractions was similar to air, while the largest difference between the relative permittivity of aleurone-rich and outer pericarp-rich particles appeared at 1.3 MHz with a ratio of 5.3. The results of resistance analysis suggested that, wheat bran powder was a good insulation material. The resistivity of aleurone-rich powder was about 2 300 MΩ/cm, which was five times more than that of outer pericarp-rich fraction at the same condition. The result of corona charging property indicated that, as the voltage increased, the charge amount obtained by wheat bran powders increased gradually, among which, the charge amount obtained by aleurone-rich particleswas about 1.7 times more than that of outer pericarp-rich fraction. Moreover, the charge amount obtained by wheat bran particles decreased with the increasing of water content in wheat bran, while the charge amount increased with the decreasing of the particle size of wheat bran. In brief, the electrical properties of wheat bran tissues, including aleurone and outer pericarp, were significantly different. The dielectric and conductivity of aleurone-rich particles are greater than that of outer pericarp, and the charges obtained by wheat bran particles after corona charging were greater than that of outer pericarp particles. Thus, wheat bran tissues, i.e., aleurone and outer pericarp can obtain different charge amount by tribo-charging and corona charging, then can be separated and enriched in electric field. The bran tissues can be separated by using dielectrophoresis and corona charging in theory, but some pretreatments on the particle size, water content and delivery process need to be done, to avoid adhesion and gathering between the bran particles, and finally the bran tissues can be separation and enriched efficiently by ES.

wheat, agricultural products; wheat bran; aleurone, electrostatic separation; dielectricity; conductivity; corona charging

陈中伟，夏 清，黄清清，孙 俊，徐 斌，姜 松. 麦麸结构层粉体的电特性研究[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：303－309.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.036 http://www.tcsae.org

Chen Zhongwei, Xia Qing, Huang Qingqing, Sun Jun, Xu Bin, Jiang Song. Electrical properties of wheat bran structural layer powder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 303－309. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.036 http://www.tcsae.org

2019-08-19

2019-12-22

国家自然科学基金（青年）项目（31601399）；中国博士后科学基金（2019M651749）；江苏省自然科学基金（青年）项目（BK20160511）

陈中伟，副研究员，博士，主要从事农产品精深加工技术研究。Email：zwchen@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.036

TS213.2

A

1002-6819(2020)-01-0303-07