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麦麸糊粉层细胞簇的机械剥离及电场富集研究

陈中伟  
【摘要】:小麦糊粉层富集麦麸中绝大部分营养素和生理活性成分。然而,由于糊粉层与麦麸其它结构层粘附紧密,传统制粉工艺难以分离。本研究旨在以麦麸为原料,探究通过机械剥离及电场富集干法制备糊粉层细胞簇的方法和潜在机理。 首先建立了测定麦麸结构层在粉体中分布情况及其比例的定性和定量方法。比较手工剥离所得麦麸结构层的显微结构发现,外果皮、中间层和糊粉层的显微结构区别明显,利用光学显微镜可以直接分辨各结构层颗粒;经荧光增白剂及酸性品红染色后,糊粉层的细胞壁和细胞内容物在紫外光激发下分别呈亮蓝色和暗红色,而外果皮和中间层则呈黄绿色。通过显微镜观测麦麸粉体的表面和截面显微结构,可以定性麦麸糊粉层的富集和剥离情形。比较六种具有代表性的中国小麦的麸皮结构层的标示性成分及含量,确定以烷基间二苯酚作为中间层的定量标示物,定量所用含量为11.90mg/g;总磷作为糊粉层的定量标示物,定量所用含量为28.7mg/g;将淀粉作为胚乳的标示物,定量所用含量为78.3g/100g。利用标示物法定量麦麸结构层比例,与手工剥离所得比例的相对偏差小于10%,具有较好的定量精度。 研究了麦麸及其结构层的弹塑特性。结果表明,麦麸的弹塑性具有一定的各向异性,表现为纵向弹塑性强于径向;随样品含水量从6%增至16%时,麦麸整体的弹性应力、应变极限和杨氏模量逐渐减小,而塑性应力、应变极限及破碎能均逐渐增加。在三种结构层中,外果皮弹性应力及应变分别是其它结构层的3倍和2倍,几乎不表现出塑性特性,而中间层和糊粉层塑性特性远大于外果皮;外果皮和中间层的机械特性均有一定的各向异性,而糊粉层则不然。麦麸结构层在振动破碎和冲击破碎有着明显不同的破碎行为。振动破碎利于糊粉层结构的破碎和内容物的释放,而离心冲击破碎利于麦麸结构层间的相互剥离。在离心冲击破碎过程中,当麦麸粉体粒径被破碎至约200μm时,糊粉层以单层细胞簇形式被完全剥离,其剥离行为与麦麸结构层弹塑性和断裂能相吻合。利用麦麸结构层的断裂能和剥离能的关系,计算得出糊粉层剥离临界尺寸介于194~220μm,剥离所需临界冲击速度为97m/s。 麦麸各结构层的电学性质的研究结果表明,在频率为300kHz时,中空的外果皮颗粒的介电性与空气相近,相对介电常数为1.7,而糊粉层的相对介电常数约为外果皮的5倍;麦麸糊粉层颗粒的电阻率为2300MΩ·cm,约为外果皮颗粒电阻率的5倍。麦麸粉体的电晕起电特性研究结果表明,经电晕起电后,麦麸粉体所获电量与电极电压正相关,与麦麸粉体粒径和含水量呈负相关;相同条件下,单位质量糊粉层颗粒经电晕起电所获电荷量约为外果皮颗粒的1.7倍。麦麸粉体在气-固管道输送过程中的摩擦起电特性研究结果表明,与绝缘材料摩擦后,麦麸粉体所获总电荷量随着摩擦次数的变化量与麦麸中糊粉层的比例呈正相关。与Teflon摩擦带电后,麦麸粉体获正电荷,所获总电荷量随摩擦次数呈递减趋势;与Nylon摩擦带电后,麦麸粉体先获负电荷,总电荷随着摩擦次数的增加由负变正直至稳定;而与不锈钢摩擦,麦麸粉体所获总电荷量保持恒定。根据摩擦电序理论,推测出麦麸糊粉层和外果皮在摩擦起电序列中的相对位置为:(+)Nylon糊粉层外果皮不锈钢(-)。此外,麦麸粉体所获电荷量与气流速度正相关,而与颗粒的粒径、含水量呈负相关。麦麸粉体经摩擦起电后所获电量为102nC/g,较麦麸颗粒经电晕起电所获电量高两个数量级。 经摩擦起电后,麦麸结构层颗粒在匀强电场中迁移行为与摩擦材料相关。与Teflon及PE摩擦起电后,麦麸糊粉层和中间层颗粒富集在负极板上,而外果皮颗粒富集在极板之间;与Nylon摩擦起电后,糊粉层和外果皮的迁移行为发生逆转,糊粉层和中间层颗粒富集在极板之间,而外果皮颗粒则富集在正极板上;结合麦麸结构层在匀强电场中的迁移行为和摩擦电序理论,推测麦麸结构层和摩擦材料的相对摩擦序列为:(+)Nylon糊粉层中间层外果皮PETeflon(-)。 麦麸结构层带电颗粒在非匀强电场中的迁移行为明显不同于在匀强电场中。改变电场的极性,糊粉层的迁移行为不变;与Teflon摩擦带电后,麦麸糊粉层和中间层颗粒富集在正极板上,而外果皮富集在两极板之间。当麦麸粉体与Nylon摩擦带电后,糊粉层和中间层沉降在两极板之间,而外果皮富集在极板上。而与不锈钢管道摩擦起电后,糊粉层颗粒在电场中的富集效果较差。在相同条件下,当麦麸粉体的含水量从2%增加至13%时,糊粉层富集组分中糊粉层的含量由48%降低37%,但各个组分的比例无明显变化(5%);粉体粒径及气流速度对糊粉层富集物的纯度无明显影响,但影响其产量。麦麸粉体经两次摩擦起电电场分离的结果表明,以Nylon作为摩擦材料,含水量为7%的麦麸粉体在匀强电场(45kV)中经两次摩擦起电电场富集后,麦麸糊粉层的含量可从52%提高至80%,总提取率和得率分别为78%和50.8%;相同麦麸原料,以Teflon为摩擦材料,在电压为45kV的正匀强电场中进行两次富集后,麦麸糊粉层的纯度可以从52%提高至77%,总提取率和得率分别为63.1%和41.9%。 利用Agros2D软件模拟带电麦麸颗粒在匀强电场中的迁移行为得出,带电颗粒迁移至极板上所需最小电量Qmin与颗粒入射电场时初速度(V)平方呈正比,与电场电压(U)呈反比,与电场规模(高度H)呈指数关系,而带电颗粒的粒径(Dp)的平方呈正比,具体的关系为:。 经静电场分离所得麦麸糊粉层富集物(纯度为83%)色泽淡黄、营养富集,远优于麦麸其它结构层;麦麸糊粉层富集物的蛋白质中氨基酸组成接近于WHO/FAO推荐水平;对比糊粉层富集物、麦麸及非糊粉层的体外抗氧能力发现,糊粉层富集物的总酚含量分别为麦麸和非糊粉层的1.5和2.2倍,其清除自由基能力及总还原力也优于麦麸和非糊粉层。将糊粉层富集物回添至特一面粉中制备成的糊粉面粉,其色泽、营养特性及面团性质均优于全麦面粉,并且在蒸制面食中产品适应性优于全麦面粉。


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