麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的電特性研究

陳中偉，夏 清，黃清清，孫 俊，徐 斌，姜 松

麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的電特性研究

陳中偉1,2，夏 清1，黃清清1，孫 俊1，徐 斌1，姜 松1

（1. 江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品加工工程研究院，鎮(zhèn)江 212013）

為了確定麥麩結(jié)構(gòu)層粉體靜電場(chǎng)分離的可行性，該文以高純度麥麩糊粉層和外果皮粉體為原料，研究其介電性、導(dǎo)電性和電暈帶電特性的差異。結(jié)果表明，麥麩粉體的介電常數(shù)隨頻率的增加而降低，最終趨于一致；當(dāng)頻率較低時(shí)，外果皮的相對(duì)介電常數(shù)明顯低于糊粉層；當(dāng)頻率為300 MHz時(shí)，兩者的介電常數(shù)之比最大達(dá)5.3；麥麩粉體的導(dǎo)電性差，糊粉層粉體的電阻率為2 300 MΩ/cm，為外果皮電阻率的5倍；經(jīng)正電暈帶電后，糊粉層粉體所獲電荷量約為外果皮的1.7倍，具有明顯差異；單位質(zhì)量麥麩粉體所獲電荷量隨電暈電壓的增加而增加，而隨麥麩粉體的含水率和粒徑的增大而減小?？傊?，麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的介電性、導(dǎo)電性和電暈帶電性均存在明顯差異，可以利用介電泳和電暈帶電后的靜電場(chǎng)分離技術(shù)對(duì)麥麩結(jié)構(gòu)層進(jìn)行分離純化。

小麥；農(nóng)產(chǎn)品；麥麩；糊粉層；靜電分離；介電性；導(dǎo)電性；電暈帶電

0 引 言

麥麩是中國(guó)的大宗糧食副產(chǎn)物，年產(chǎn)量達(dá)2 000萬(wàn)t[1]。麥麩富含膳食纖維、B族維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)功能組分，具有預(yù)防Ⅱ型糖尿病和心腦血管病等潛在生理功能，是全麥?zhǔn)称返年P(guān)鍵組分[2-5]。麥麩具有典型的多層生物質(zhì)結(jié)構(gòu)，由外果皮、中間層和糊粉層組成，分別約占麥麩質(zhì)量的20%、30%和50%[6]。研究表明，麥麩中的營(yíng)養(yǎng)組分主要富集在糊粉層中[7]；同時(shí)，糊粉層的污染較少且具有良好的加工特性[8-9]。因此，小麥糊粉層極具食品開發(fā)價(jià)值。然而，目前麥麩主要被用作飼料或發(fā)酵基料，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。為提高麥麩糊粉層的食品利用率，國(guó)內(nèi)外開發(fā)了多種麥麩糊粉層分離方法，例如酶法水解、濕法沉降[10-13]、篩分、氣流分級(jí)等[14]。然而，由于分離效率較低，同時(shí)易造成營(yíng)養(yǎng)組分流失或功能喪失，分離技術(shù)均未達(dá)到規(guī)?；瘧?yīng)用。

靜電分離技術(shù)是一種基于物料的電學(xué)特性實(shí)現(xiàn)分離的干法分離技術(shù)，可分為電暈帶電式、摩擦起電式和介電泳式[15]。與濕法分離技術(shù)相比，靜電分離具有高效率、低能耗、無廢水等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景良好[16]。研究表明，麥麩結(jié)構(gòu)層在組成和結(jié)構(gòu)上均具有明顯區(qū)別。在結(jié)構(gòu)上，糊粉層為厚實(shí)細(xì)胞，含有大量細(xì)胞內(nèi)容物，而外果皮和內(nèi)果皮為中空纖維細(xì)胞，種皮和透明層為膜結(jié)構(gòu)[17-19]；在化學(xué)組成上，糊粉層和非糊粉層的多糖組成及交聯(lián)程度有明顯差異[20-22]。因此，麥麩結(jié)構(gòu)層可能具有明顯不同的電學(xué)特性。同時(shí)，不同的靜電分離方式，對(duì)物料的電學(xué)特性要求也不同[23]。例如，電暈帶電要求欲分離顆粒具有不同的導(dǎo)電性（電阻率不同），摩擦帶電分離則要求粉體具有不同的摩擦帶電性。目前，麥麩等谷物組分的電學(xué)特性研究主要集中在摩擦起電特性，對(duì)導(dǎo)電性和介電性的研究較少[24-25]。同時(shí)，所研究的物料多為麥麩結(jié)構(gòu)層[26]，少有學(xué)者以麥麩結(jié)構(gòu)層粉體為研究對(duì)象，對(duì)其介電特性、導(dǎo)電性進(jìn)行研究。同時(shí)，含水率及粒徑等對(duì)麥麩粉體的電暈帶電特性影響的研究也相對(duì)缺乏。

本研究以高純度麥麩糊粉層、外果皮粉體為原料，對(duì)其介電特性、導(dǎo)電性和電暈帶電性的差異進(jìn)行研究，并測(cè)定原料含水率、顆粒粒徑等對(duì)麥麩粉體電暈帶電特性的影響，從而確定介電泳和電暈帶電靜電分離麥麩結(jié)構(gòu)層（糊粉層和外果皮）粉體的可行性，為靜電分離在農(nóng)產(chǎn)品和食品組分分離中的應(yīng)用提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 原料與試劑

麥麩糊粉層粉體、外果皮粉體、不同粒徑的麥麩粉體：(100-120)（100目篩下～120目篩上物），(120-150)（120目篩下～150目篩上物），(150-200）（150目篩下～200目篩上物）、不同含水率（2%、7%和13%）的麥麩粉體，實(shí)驗(yàn)室自制；硝酸鎂、氯化鈉、標(biāo)示物測(cè)定所用試劑，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.1.2 儀器與設(shè)備

E5061A網(wǎng)絡(luò)分析儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司；CX-31光學(xué)顯微鏡，日本奧林巴斯工業(yè)有限公司；SZT-D型半導(dǎo)體粉末電阻率測(cè)試儀，蘇州晶格電子有限公司；DC-60高壓直流電源，天津市慧達(dá)電子元件廠；A101靜電荷測(cè)定儀，青島山紡儀器有限公司；小型傳送帶，東莞市精川機(jī)械設(shè)備廠；DHG-9075電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，上海捷呈實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；DEM-F490空氣加濕器，德爾瑪電器有限公司；OMEGA-RH92溫濕度測(cè)定儀，上海思百吉儀器系統(tǒng)有限公司；Microtrac 3500粒徑分析儀，美國(guó)麥奇克儀器有限公司；Agros2D軟件（版本：3.2.0.0）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的顯微結(jié)構(gòu)和粒徑測(cè)定

麥麩粉體中結(jié)構(gòu)層比例的測(cè)定參考文獻(xiàn)[19]。麩皮顯微結(jié)構(gòu)觀測(cè)方法：將少量麥麩粉體置于蓋玻片上，滴加去離子水后蓋上蓋玻片，置于顯微鏡下觀測(cè)，選取代表性圖片。粒徑的測(cè)定方法：樣品量0.2 g，進(jìn)樣方式：干法吸入，測(cè)定模式：反射，顆粒形狀：不規(guī)則，測(cè)定粒徑范圍：0.25～2 000m。每個(gè)樣品測(cè)定2次，取平均值獲取粒徑分布數(shù)據(jù)。

1.2.2 麥麩結(jié)構(gòu)層的介電性測(cè)定

將麥麩糊粉層和外果皮粉體（50=160m、7%含水率）均勻鋪于平皿中，厚度約為2 cm。開啟網(wǎng)絡(luò)分析儀，利用蒸餾水進(jìn)行校準(zhǔn)后，選擇單軸模式進(jìn)行分析，頻率：300～105kHz，數(shù)據(jù)采集間隔1.0 MHz，測(cè)定不同頻率下樣品的介電常數(shù)，每個(gè)樣品至少測(cè)定2次，取平均值。

1.2.3 麥麩結(jié)構(gòu)層的導(dǎo)電性測(cè)定

稱取麥麩糊粉層和外果皮各10.0 g，用儀器所配的小勺取粉末樣品加入SZT-D型粉末電阻率測(cè)試儀的測(cè)定腔中（：11.3 mm，高度：10.0 mm），直至加滿。利用壓力構(gòu)件將粉體壓實(shí)，監(jiān)測(cè)樣品厚度變化，直至其變化率小于5%。壓力每增大20 kg，記錄下相應(yīng)電阻率。

1.2.4 麥麩結(jié)構(gòu)層的電暈帶電性

不同含水率樣品的制備：稱取粒徑(120-150)的麥麩粉體20.0 g，置于105 ℃烘箱中，直至樣品的含水率小于2%；稱取20.0 g麥麩，利用空氣加濕器對(duì)麥麩粉體加濕，直至含水率為13%左右，并置于含NaCl飽和溶液的容器隔層中密封待測(cè)。

麥麩粉體電暈帶電測(cè)定裝置（如圖1）由高壓電源、電極、傳送帶和電荷測(cè)定儀（含法拉第筒）組成。測(cè)定步驟如下，稱取10.0 g樣品，利用篩網(wǎng)將粉體均勻鋪撒在傳送帶上5 cm×60 cm的區(qū)域內(nèi)，接通高壓電源，開啟傳送裝置使樣品以6 cm/s的速率通過電暈電極下方，并震落至法拉第筒中。然后，利用靜電荷測(cè)定儀測(cè)定法拉第筒中麥麩粉體的總電荷量。采用上述方法分別測(cè)定不同麥麩結(jié)構(gòu)層（外果皮和糊粉層，含水率7%）、不同含水率樣品（2%，7%和13%）以及不同粒徑（含水率7%）麥麩粉體的電暈帶電量。其中，2%，7%和13%分別對(duì)應(yīng)烘干至絕干條件下、粉碎之后，以及谷物安全水分條件下的麥麩粉體。電壓的設(shè)定范圍為40～50 kV，環(huán)境溫度和濕度分別為(25±2)℃和35%±5%。每個(gè)樣品測(cè)定5次，取平均值[27]。

圖1 麥麩粉體的電暈帶起電特性測(cè)定裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 麥麩結(jié)構(gòu)層富集物的生化組成、顯微結(jié)構(gòu)和粒徑分布

試驗(yàn)所用麥麩粉體中結(jié)構(gòu)層的比例見表1。糊粉層富集物中含77.2%的糊粉層，遠(yuǎn)高于麥麩所含糊粉層的比例（40%～50%），而外果皮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.3%；外果皮富集物所含外果皮的比例超過80%，糊粉層和中間層的比例均小于10%；2種粉體中胚乳質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于5%。

表1 外果皮富集物和糊粉層富集物的組成

糊粉層富集物和外果皮富集物粉體的顯微結(jié)構(gòu)見圖2。外果皮呈纖維狀碎片，糊粉層呈網(wǎng)狀細(xì)胞結(jié)構(gòu)。

圖2 麥麩外果皮和糊粉層粉體的顯微結(jié)構(gòu)

由圖2可知，外果皮粉體主要由半透明的片狀碎片組成，糊粉層所占比例很?。▓D2a）；糊粉層富集物主要由網(wǎng)格狀細(xì)胞簇組成，僅含有少許棕色片狀顆粒（圖2b）。同時(shí)，2類麥麩粉體中幾乎不含淀粉顆粒，這與生化測(cè)定結(jié)果相近。綜上，麥麩糊粉層和外果皮富集物的純度均超過75%，因此，可以代表糊粉層和外果皮粉體用于電學(xué)特性測(cè)定。

試驗(yàn)所用麥麩粉體的粒徑見圖3a、3b和3c分別代表(100-120)、(120-150)、(150-200)3種麥麩粉體的顯微結(jié)構(gòu)，3d、3e和3f則分別顯示3類粉體的粒徑分布。由圖可知，3種粉體的粒徑分布曲線均呈單峰正態(tài)分布，50分別為213、162和105m。同時(shí)，3種麥麩粉體中糊粉層和外果皮的比例均在37%和15%左右，只存在粒徑上的差異，可以用于測(cè)定粒徑對(duì)麥麩粉體的電暈帶電特性的影響。

注：F為對(duì)應(yīng)粒徑篩上的麥麩。

2.2 麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的介電性

相對(duì)介電常數(shù)又稱相對(duì)電容率，是表征電介質(zhì)或絕緣材料介電性能的一個(gè)重要參數(shù)。介電常數(shù)越大，代表在相同電壓條件下材料可儲(chǔ)存的靜電能越大。麥麩結(jié)構(gòu)層粉體在不同頻率下的介電特性見圖4。

當(dāng)測(cè)定頻率為300 kHz時(shí)，外果皮粉體的相對(duì)介電常數(shù)約為1.7，不足空氣介電常數(shù)（≈1）的2倍，而糊粉層的介電常數(shù)為9.0。這與Antoine等[26]對(duì)麥麩結(jié)構(gòu)層薄膜介電性的測(cè)定結(jié)果一致。其結(jié)果也表明，在較低頻率下，濕度為58%～75%，外果皮的相對(duì)介電常數(shù)約為1，近似于空氣的介電常數(shù)，而麥麩糊粉層的相對(duì)介電常數(shù)約為5.6。當(dāng)測(cè)定頻率為1.3 MHz時(shí)，兩者介電常數(shù)之比最大達(dá)5.3。糊粉層和外果皮粉體的相對(duì)介電常數(shù)均達(dá)到最大，此時(shí)外果皮的介電常數(shù)為3.5，約為糊粉層粉體介電常數(shù)的1/3；當(dāng)測(cè)定頻率進(jìn)一步增大時(shí)，糊粉層和外果皮粉體的相對(duì)介電常數(shù)均逐漸減??；當(dāng)測(cè)定頻率大于20 MHz時(shí)，糊粉層和外果皮的介電常數(shù)趨于一致。這主要是由外果皮和糊粉層的結(jié)構(gòu)不同造成的。外果皮是中空細(xì)胞，而糊粉層則為厚實(shí)細(xì)胞，含有蛋白質(zhì)、脂肪粒等絕緣組分[6]。由于脂類、蛋白質(zhì)等組分的介電性高于空氣。因此，麥麩糊粉層的介電常數(shù)高于外果皮。

圖4 不同頻率下麥麩外果皮富集物和糊粉層富集物的相對(duì)介電常數(shù)變化趨勢(shì)

綜上，糊粉層和外果皮在0.3～1.3 MHz之間的差異性最大，差異性明顯。在實(shí)際介電泳分離中，電場(chǎng)的頻率小于0.3MHz。但由于本試驗(yàn)所用網(wǎng)絡(luò)分析儀的最小測(cè)定精度限制（最小300 kHz，間隔1 MHz），因此，在0.3～1.3 MHz之間的數(shù)據(jù)缺乏，無法確定兩者差異性最大的具體頻率，以及在0～0.3 MHz時(shí)的最大介電常數(shù)。在后續(xù)的研究中，仍然需要尋找寬測(cè)定范圍，高靈敏度的儀器，從而測(cè)定接近交流電場(chǎng)頻率條件下的麥麩粉體的介電性。

一般而言，靜電場(chǎng)分離采用勻強(qiáng)電場(chǎng)或非勻強(qiáng)電場(chǎng)作為分離場(chǎng)。在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中，主要基于介電泳實(shí)現(xiàn)顆粒的分離，即因物料極化而產(chǎn)生差異性運(yùn)動(dòng)。因此，即使不帶電的微粒，在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中也將被誘導(dǎo)遷移，例如靜電除塵[28]。介電電泳力大小可以表示為[29]

式中顆粒半徑；Δ：顆粒所在位置的電場(chǎng)強(qiáng)度差；0：空氣的介電常數(shù)；K為顆粒的相對(duì)介電常數(shù)；K為非勻強(qiáng)電場(chǎng)所在流體的相對(duì)介電常數(shù)。由上述公式可知，介電泳力的方向與流體介質(zhì)與顆粒的介電常數(shù)之差有關(guān)。當(dāng)K<K，介電電泳力為負(fù)值，顆粒將向場(chǎng)強(qiáng)小的方向移動(dòng)；當(dāng)K>K，介電泳力為正值，顆粒將向場(chǎng)強(qiáng)大的方向移動(dòng)。

由上述公式可知，物料與介質(zhì)的介電常數(shù)差異決定其所受介電泳力的大小。根據(jù)本文測(cè)定結(jié)果可知，外果皮和糊粉層的介電常數(shù)均高于空氣（相對(duì)介電常數(shù)=1）。因此，二類麥麩顆粒在非勻強(qiáng)電場(chǎng)中均向高場(chǎng)強(qiáng)方向移動(dòng)。根據(jù)非勻強(qiáng)電場(chǎng)（雙正極板）的模擬結(jié)果（圖5），在電壓45 kV，極板距離為50 cm的非勻強(qiáng)電場(chǎng)中，由電場(chǎng)中軸至極板，場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大。糊粉層和外果皮顆粒受介電泳力向極板方向遷移。由于糊粉層的介電常數(shù)約是外果皮的4～5倍，所以，相同電場(chǎng)強(qiáng)度下，糊粉層的遷移距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于外果皮，從而實(shí)現(xiàn)二者的分離。

圖5　非勻強(qiáng)電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度分布

2.3 麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的導(dǎo)電性

外果皮和糊粉層粉體的電阻率與壓力的關(guān)系見圖6。由圖可知，壓力越大，麥麩粉體緊實(shí)度越高，則外果皮和糊粉層粉體的電阻率越小。當(dāng)壓強(qiáng)大于150 kg時(shí)，麥麩粉體的電阻率趨于穩(wěn)定。此時(shí)，外果皮的比電阻率約為432 MΩ/cm，糊粉層的電阻率為2 300 MΩ/cm，約為外果皮電阻率的5倍。

圖6 麥麩糊粉層富集物和外果皮富集物的電阻率

結(jié)合麥麩結(jié)構(gòu)層介電性可知，外果皮和糊粉層粉體的電阻率與其介電性的結(jié)果相似。Antoine等[26]利用介電譜儀分析了麥麩結(jié)構(gòu)層薄膜的介電性。其結(jié)果表明，外果皮顆粒的電阻率高于糊粉層和中間層，麥麩糊粉層則表現(xiàn)出較高的介電性。這與本研究的結(jié)果不同，主要原因在于測(cè)定方法和樣品不同造成。由于電阻率測(cè)定時(shí)需要將粉體壓實(shí)，導(dǎo)致外果皮的中空細(xì)胞結(jié)構(gòu)變化，其導(dǎo)電性隨壓力的升高而降低。但該結(jié)果明確顯示麥麩糊粉層和外果皮粉體的導(dǎo)電特性具有明顯差異，可以利用電暈帶電獲取不同電荷量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)靜電分離。

2.4 麥麩結(jié)構(gòu)層的電暈帶電性

在麥麩粉電暈帶電性的測(cè)定過程中，當(dāng)電壓高于40.0 kV時(shí)，麥麩結(jié)構(gòu)層粉體所獲電荷量開始大于靜電電荷測(cè)定儀測(cè)定限（1.0 nC）。當(dāng)電壓達(dá)到50.0 kV時(shí)，電暈電極擊穿空氣，開始產(chǎn)生電火花，故測(cè)定最高電壓設(shè)定為50.0 kV。

2.4.1 不同麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的電暈帶電性

由圖7可知，隨著電暈電壓的逐漸增加，糊粉層和外果皮粉體所獲電荷量均逐漸增加，且糊粉層富集物所獲電荷量多于外果皮；當(dāng)電暈電壓為50 kV時(shí)，單位質(zhì)量外果皮富集物所獲電荷量為5.9 nC/g，而單位質(zhì)量糊粉層富集物所獲電荷量為9.8 nC/g，約為外果皮所獲電荷量的1.7倍。Dascalescu等[24]研究結(jié)果也表明，在相同電暈電壓下，糊粉層所獲電荷量高于麩皮。由于麩皮包含糊粉層和外果皮，因此，其結(jié)果也表明糊粉層顆粒電暈帶電所獲電荷量要高于外果皮，這與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖7 糊粉層富集物和外果皮富集物的電暈帶電特性

2.4.2 含水率對(duì)麥麩粉體電暈帶電性的影響

由圖8可知，隨著電暈電壓的增加，不同含水率的麥麩粉體所獲電荷量均逐漸增大。在相同電壓下，麥麩粉體所獲電荷量均隨含水率增加而減少；即麥麩粉體的含水率越低，經(jīng)電暈帶電后所獲電荷量越多，這與Dascalescu 等[24]的研究結(jié)果是一致的。其結(jié)果也表明，含水率2%的麥麩粉體經(jīng)電暈帶電后所獲電荷量約為含水率10%的麥麩粉體的4倍。相似的，Hemery等[25]的研究也表明，含水率較低的麥麩粉體所獲電荷量更高。當(dāng)含水率為10%時(shí)，糊粉層所獲電荷量高于外果皮，且電荷的耗散速率較慢。原因在于，高含水率使外果皮性質(zhì)接近于導(dǎo)體，電荷耗散速率加快。因此，部分電荷在測(cè)定之前已耗散；當(dāng)含水率為2%時(shí)，外果皮顆粒電荷耗散速度較慢，故測(cè)得的電荷量較大。對(duì)于麩皮粉體，也存在相似結(jié)論。

圖8 不同含水率麥麩粉體的電暈帶電特性

總之，含水率對(duì)麥麩粉體的電暈帶電性影響較大。因此，在麥麩粉體電暈帶電時(shí)，要充分干燥麥麩粉體，降低粉體表面的電荷耗散速率。另外，由于麥麩糊粉層和外果皮的吸水性不同[25]，降低含水率也可以兩者的帶電（耗散）差異性增大，從而實(shí)現(xiàn)麥麩結(jié)構(gòu)層間的分離。

2.4.3 粒徑對(duì)麥麩粉體電暈帶電性的影響

由圖9可知，隨著電暈電壓的增加，不同粒徑的麥麩粉體所獲電荷量均增大。在相同電壓下，麥麩粉體的粒徑越小，單位質(zhì)量粉體經(jīng)電暈帶電所獲電荷量越多。這可能與粉體的比表面積和電荷耗散時(shí)間有關(guān)。Hemery等[25]研究了不同粒徑的麥麩的電荷耗散時(shí)間，結(jié)果顯示，小粒徑（50=49m）麥麩的電荷耗散時(shí)間為中等粒徑（50=102m）麥麩粉體的4倍。

圖9 不同粒徑麥麩粉體的電暈帶電性

Bendaoud等[30]曾研究過不同極性的電暈電極的帶電效果。結(jié)果顯示，負(fù)電暈具有較優(yōu)的帶電量（電流），但不影響帶電量與電壓趨勢(shì)。因此，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度條件下，具有不同電暈帶電性的物料將顯示出較為明顯的差異，與電壓極性沒有絕對(duì)關(guān)聯(lián)。然而，為了獲得更精確的麥麩粉體的電暈帶電，應(yīng)該進(jìn)一步研究不同極性電暈對(duì)麥麩粉體的帶電效果?？傊?，經(jīng)電暈帶電后，麥麩粉體顆粒的粒徑越小，單位質(zhì)量粉體所獲電荷量越多。因此，在保證麥麩結(jié)構(gòu)層完整性（糊粉層大于50m）和小顆粒不被吸附的前提下，應(yīng)該盡量減少麥麩粉體的粒徑，提高其電暈帶電性和電荷緩釋特性的差異性，從而實(shí)現(xiàn)麥麩結(jié)構(gòu)層的靜電分離效果。

理論上，電暈帶電式靜電分離需要經(jīng)過3個(gè)過程：1）電暈誘導(dǎo)欲分離顆粒獲得電荷；2）帶電顆粒所帶電荷量不同或者差異化釋放；3）靜電場(chǎng)誘導(dǎo)帶電量不同的顆粒發(fā)生分離。由本文結(jié)果可知，經(jīng)過電暈帶電后，麥麩糊粉層和外果皮粉體可以獲得電荷，并且前者所獲電荷是后者的2倍。同時(shí)， Hemery等[31]的研究結(jié)果表明，麥麩糊粉層和外果皮的帶電后的電荷釋放特性具有明顯差異性。因此，糊粉和外果皮的電學(xué)特性符合上述3個(gè)基本條件，具有電暈帶電分離的可行性。部分學(xué)者利用電暈帶電式靜電場(chǎng)分離實(shí)現(xiàn)了部分大顆粒農(nóng)產(chǎn)品粉體的分離，例如玉米纖維[32]、茶葉（梗）[33]的分離和富集。但是，以上實(shí)例中均采用大顆粒物料（＞500m）作為原料。因此，對(duì)于麥麩結(jié)構(gòu)層的電暈帶電式靜電分離，應(yīng)該較大程度上避免過度粉碎，減少顆粒間的粘附和團(tuán)聚。

3 結(jié) 論

1）麥麩糊粉層和外果皮粉體的介電特性和導(dǎo)電性均有較大差異。麥麩結(jié)構(gòu)層的介電特性隨測(cè)定頻率逐漸降低，最終與外果皮趨于一致。濕度為58%～75%外果皮的介電特性與空氣相近，相對(duì)介電常數(shù)約為1.7；糊粉層與外果皮的介電常數(shù)之比最大達(dá)5.3；當(dāng)麥麩粉體被壓實(shí)后，麥麩糊粉層粉體的電阻率約為外果皮粉體的5倍。

2）麥麩糊粉層和外果皮的電暈帶電特性具有明顯差異。相同條件下，麥麩糊粉層粉體的電暈帶電性優(yōu)于外果皮粉體，并受到粉體粒度、含水率和電場(chǎng)強(qiáng)度的顯著影響。

3）基于麥麩糊粉層和外果皮在介電性和電暈帶電性上的顯著差異，麥麩糊粉層和外果皮可以通過介電泳和電暈帶電后實(shí)現(xiàn)靜電場(chǎng)分離，且后者采用較大原料顆粒即可實(shí)現(xiàn)靜電分離。

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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

陳中偉，夏 清，黃清清，孫 俊，徐 斌，姜 松. 麥麩結(jié)構(gòu)層粉體的電特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(1)：303－309.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.01.036 http://www.tcsae.org

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2019-08-19

2019-12-22

國(guó)家自然科學(xué)基金（青年）項(xiàng)目（31601399）；中國(guó)博士后科學(xué)基金（2019M651749）；江蘇省自然科學(xué)基金（青年）項(xiàng)目（BK20160511）

陳中偉，副研究員，博士，主要從事農(nóng)產(chǎn)品精深加工技術(shù)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