CN110810707A - 一种电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，涉及谷物精深加工技术领域。本发明以荞麦为原料，经过以下步骤：机械脱壳、脱壳籽粒破碎、干法分级、差异化粉碎、静电场富集、过热蒸汽灭酶，分离得到抗性胚乳细胞和子叶营养粉。本发明为物理法分离荞麦结构层的方法，可保留荞麦胚乳的完整细胞结构以及子叶中营养组分的原有特性，同时降低子叶粉中的苦味产生，工艺过程绿色、高效、节能。
Description
技术领域
本发明涉及杂粮精深加工领域，特别是一种电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法。
背景技术：
荞麦的籽粒包括外壳和荞麦仁。荞麦仁由胚乳、麸皮、子叶(胚芽)三部分构成，其中胚乳富含淀粉，子叶和麸皮则分别富含蛋白和膳食纤维。与传统的谷物不同，荞麦特有的子叶结构位于胚乳中心，需要用专用的制粉工艺装备。荞麦富含黄酮，苦荞中的黄酮含量高达2g/100g，是所有谷物中最高的；荞麦还富含抗性淀粉，其产品具有明显的抗消化和低GI特性。因此，荞麦是加工特殊人群膳食，尤其是糖尿病人群的优质原料。
然而，荞麦中的功能组分并不是均匀分布，具有明显的富集性。例如，荞麦中的淀粉集中在胚乳中，蛋白质和黄酮富集在子叶和胚芽中，而膳食纤维则富集在麸皮中；并且其功能性依赖于其特有的细胞结构，尤其是淀粉的抗消化性依赖于其胚乳的细胞完整性。
目前，荞麦淀粉、蛋白和纤维的分离加工方法主要为湿法、化学法。申请号为02153289.3的专利申请文件公开的技术是：用干磨法初步分离麸皮和荞麦芯粉，然后利用化学碱法从芯粉中提取荞麦淀粉和蛋白质，该过程破坏了荞麦胚乳结构，并且采用常规的清水漂洗荞麦蛋白，易造成荞麦蛋白的大量流失，蛋白质的纯度和收率低，用途窄。另一申请号为02153288.5的专利申请文件公开一种用干磨法从荞麦麸皮中提取混合荞麦蛋白、黄酮和膳食纤维的技术，同样采用了常规水洗涤富集蛋白的方法。由于荞麦，尤其是苦荞中富含的功能性成分芦丁为水溶性，且易受到芦丁降解酶的影响转化成苦味物质槲皮素。因此，清水洗涤富集荞麦蛋白不利于后续产品的口感和加工品质。公开号为CN108864245A的专利申请文件公开了一种从荞麦粒或荞麦粉中提取蛋白质、淀粉和纤维的方法：主要利用三者在比重、粒径上的差异实现，采用湿法离心沉降分离荞麦淀粉、蛋白和纤维，该方法虽然可以获得三种较高纯度的产品，但该工艺涉及水溶工艺、搅拌等，也会对荞麦胚乳细胞造成影响，还会造成苦荞芦丁的大量流失，影响苦荞淀粉和蛋白的营养和功能性。公开号为CN107790209A的专利申请文件提出了一种荞麦加工新工艺，主要利用干法的筛选分级、脱壳、后处理得到完整甜荞荞麦仁，虽然也提出对碎荞麦米进行制粉得到荞麦粉，但未涉及荞麦(甜荞和苦荞)完整胚乳细胞、子叶和麸皮之间的干法分离。
上述已有公开的方法，主要采用湿法、碱法和干法研磨等手段对荞麦进行处理，虽然可以获得较高纯度的荞麦淀粉、蛋白和纤维，但破坏荞麦胚乳、子叶的组织结构，对荞麦中淀粉的抗消化性和子叶蛋白原有功能造成很大影响；同时，湿法还会带来污水处理、蒸发能耗、装备等成本的增加，难以应用于现有杂粮加工产业。
发明内容：
针对现有荞麦产品加工分离方法存在的上述不足，本发明提供了一种电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，利用干法分级、差异化粉碎、静电场富集的工序分离出具有抗消化特性的荞麦胚乳，以及富含蛋白和黄酮的子叶粉，可以保留荞麦胚乳细胞的完整性，同时保留子叶蛋白和黄酮的原有特性，具有高效、节能、易操作等优势。
为了解决上述技术问题，本发明采取的具体技术方案如下：
一种电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)荞麦脱壳与粉碎：通过机械挤压、磋磨或碾压脱去荞麦外壳，筛分去除荞麦外壳，并采用碾压、剪切的方式将去壳后的荞麦粉或荞麦仁粉碎；
(2)干法初步分级：利用筛分法对破碎后的荞麦全粉以40目为界线进行分级，40目筛上物作为富集子叶粉的原料，40目筛下物作为胚乳细胞分离的原料；
(3)差异化机械破碎：对40目筛上物的大颗粒和40目筛下物的小颗粒进行差异化破碎直至粒径小于300μm，分别得到荞麦子叶与麸皮的混合粉体、富含胚乳细胞与子叶的混合粉体；
(4)静电场富集：
对富含胚乳细胞与子叶的混合粉体采用摩擦带电后，利用静电场分离胚乳和子叶得到胚乳富集物和子叶富集物；沉积在负极板处的为胚乳完整细胞粉，沉积在极板间的为子叶细粉；对荞麦子叶与麸皮的混合粉体采用电晕带电后，利用静电场分离子叶和麸皮，富集得到子叶粉富集物和麸皮富集物；
(5)灭酶：对经过静电场富集后的子叶粉进行灭酶脱苦处理。
进一步地，所述步骤(1)中荞麦脱壳过程中：
当采用的荞麦为苦荞时，苦荞籽粒脱壳前，先用4-10℃的低温水对苦荞喷雾着水10-45min，加水量为籽粒重量的1％-5％，然后通过碾压或撞击实现外壳破碎，然后利用振动筛或气流筛、色选机对苦荞壳与苦荞粉进行分离；
当采用的荞麦为甜荞时，首先对籽粒进行分级，对不同等级的甜荞籽粒采用不同间隙的砂轮进行搓磨，脱除甜荞籽粒的外壳，利用比重法实现甜荞外壳和荞麦仁的分离。
进一步地，所述步骤(3)中，对于小颗粒采用碾压、剪切的方式进行破碎，对大颗粒采用冲击的方式进行破碎。
进一步地，所述步骤(4)中富含胚乳细胞与子叶的混合粉体是采用气-固输送式摩擦带电后进入静电场进行分离富集；气-固输送的方式是采用正压稀相输送方法将粉体输送至绝缘、半导体或导电的聚合物材料制成的管道或狭缝中运动，使粉体与管道壁或缝隙壁发生碰撞和摩擦，获得大小或极性不同的电荷；其中所述聚合物材料在摩擦电序中远离淀粉。
进一步地，气流速度介于5-15m/s，气-固的质量比不小于10，压力不大于0.8MPa。
进一步地，所述步骤(4)中富含胚乳细胞与子叶的混合粉体静电场分离所用静电场为匀强或非匀强高压静电场，其电场强度大于50kv/m，且电场高度与极板间距之比大于1.5。
进一步地，所述步骤(4)荞麦子叶与麸皮的混合粉体采用绝缘传送带输送子叶和麸皮至高压电极下进行电晕诱导，再将带电后的子叶与麸皮混合粉体输送到非匀强静电场中进行分离。
进一步地，所述电晕诱导的电晕形式为针形或弧形电极，电晕带电的电压为5-10kv，传送带上物料与电极的距离为10-20cm，物料经过电晕带电的速度为5-10cm/s。
进一步地，所述步骤(4)中，荞麦子叶与麸皮的混合粉体静电场分离时的非匀强静电场中的电极形状为弧状，高压电晕带电后的电场强度不低于50kv/m。
进一步地，所述步骤(5)中采用过热蒸汽进行灭酶脱苦处理，过热蒸汽的温度不低于120℃，压力不低于0.5Mpa，时间为10-40秒之间。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用物理法分离荞麦结构层的方法，可保留荞麦胚乳的完整细胞结构以及子叶中营养组分的原有特性，同时降低子叶粉中的苦味产生，工艺过程高效、节能、易操作。
(2)本发明提出的干法分离荞麦完整胚乳细胞和子叶蛋白粉的技术，同时获得荞麦麸皮，能够从杂粮谷物中高效、绿色的获得三种高附加值产品。
附图说明
图1为电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的流程图；
图2中(a)为胚乳与子叶混合粉显微结构图、(b)为苦荞子叶与麸皮混合粉显微结构图；
图3中(a)为甜荞完整胚乳细胞显微结构图、(b)为甜荞子叶富集粉显微结构图；
图4中(a)为苦荞麸皮富集粉显微结构图、(b)为苦荞子叶富集粉显微结构图。
具体实施方案
下面将结合附图说明对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
图1为本发明所述电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的流程图，主要包括荞麦结构的荞麦脱壳与粉碎、干法分级、差异化粉碎、静电场富集、过热蒸汽灭酶的步骤。
(1)荞麦脱壳与粉碎：脱壳的目的在于减少荞麦壳在后续粉碎过程中对其他组分的影响。本发明主要利用荞麦壳与荞麦仁的抗碾压特性不同，通过机械挤压、磋磨或碾压的方式利用脱壳机脱去荞麦外壳。由于苦荞和甜荞的籽粒特性不同，采用不同的脱壳方法。
对于苦荞籽粒，苦荞籽粒脱壳前，先用4-10℃的低温水对苦荞喷雾着水10-45min，加水量为籽粒重量的1％-5％，使苦荞壳适度吸水，增加外壳韧性。由于苦荞仁容易破碎、离散，在碾压过程容易破碎。因此，可以无需对籽粒大小进行分级，通过碾压或撞击实现外壳破碎，然后利用振动筛或气流筛、色选机对苦荞壳与苦荞粉进行分离；然后分离得到外壳和破碎的苦荞粉。筛上物或比重大、颜色深的颗粒为外壳，筛下物、比重小或颜色淡黄的为苦荞全粉。
对于甜荞籽粒，首先利用高方平筛电将籽粒分级成3-4个不同的大小等级，然后根据荞麦粒的大小等级，采用不同间隙的脱壳参数或脱壳机进行脱壳处理，舍弃甜荞壳。
(2)干法初步分级：脱壳粉碎之后，利用振动筛分、气流筛或气流分级法对荞麦粉进行分级，然后以400μm为临界值，进行分级处理，得到40目筛上物的大颗粒和40目筛下物的小颗粒两类粉体，40目筛上物作为富集子叶粉的原料，40目筛下物作为胚乳细胞分离的原料。
(3)差异化粉碎：对大颗粒和小颗粒进行差异化粉碎直至粒径小于300μm。对于小颗粒采用碾压、剪切的方式进行破碎，获得富含胚乳细胞与子叶的混合物粉体；对大颗粒采用冲击的方式进行破碎，得到荞麦子叶与麸皮的混合粉体。
(4)静电场富集：差异化粉碎后，富含胚乳细胞的胚乳细胞与子叶的混合物粉体中含有大量的子叶粉体，而富含子叶的荞麦子叶与麸皮的混合粉体中含有大量的麸皮。各种粉体颗粒之间的粒径和比重差异较小，需要借助筛分、气流分级之外的分离方法。本发明主要采用摩擦带电、电晕带电后，再利用静电场分离。
a.对于富含胚乳细胞与子叶的混合物粉体中胚乳和子叶组分的分离，主要采用摩擦起电后的静电场分离进行富集，得到胚乳富集物和子叶富集物。
摩擦带电：具体利用正压烯相的气流输送方法将粉末输送至绝缘、半导体或导电的聚合物材料制成的管道或狭缝中，粉末在管道或狭缝中运动，使粉体与管道壁发生碰撞和摩擦，获得大小或极性不同的电荷。采用气-固质量比大于10，气流速度介于10～20m/s的稀相输送方法。管道或狭缝的内壁材料为在摩擦电序上极性远高于或低于淀粉和蛋白的绝缘或导电聚合物，优选尼龙或聚四氟乙烯等极性强的聚合物材料。
静电分离1：经摩擦带电后，富含胚乳细胞与子叶的混合物粉体被输送至场强高于50kv/m的匀强或非匀强静电场，电场高度与极板间距之比大于1.5。粉体受静电场力作用大小不同发生水平迁移，分别沉降在极板和底部。当静电场为匀强电场时，极板上的粉体为胚乳细胞富集体，极板间的粉体为子叶富集物。当静电场为非匀强电场时，极板上为胚乳细胞富集体，极板中间为子叶富集体。可通过两次或两次以上分离获得高纯度胚乳细胞富集体或子叶富集体。
b.对于荞麦子叶与麸皮的混合粉体中麸皮和子叶间的分离，主要采用电晕带电后的静电场分离进行富集，得到子叶粉富集物和麸皮富集物。
电晕带电：利用绝缘传送带将子叶和麸皮混合粉输送至针状高压电极或弧形高压电极下，利用电晕诱导粉体获得不同电量的电荷。针状电极的电压大小控制在5-10kv，电极与粉体间距为10-20cm，粉体在电极下的输送速率5～10cm/s。
静电场分离2：利用输送带将带电后的子叶与麸皮混合粉体输送到非匀强静电场中，电极形状为弧状电极，电压大小5～10kv之间，粉体与电极的间距为10-20cm之间。粉体在电场下的输送速率5～10cm/s。
(5)灭酶和脱苦：对经过静电场富集后的子叶粉，采用过热蒸汽进行灭酶，蒸汽温度控制在115-140℃，时间为5-15秒，灭酶后在室温放置10-30分钟，然后进行包装或密封。
(6)灭菌和保藏：优选紫外或辐照灭菌方式等适合于干制品的灭菌方法进行灭菌或杀虫。然后，将富集和精选后抗消化胚乳粉和子叶粉分别进行普通包装和密封包装，亦或可以进行充氮气包装，保持产品的干燥性。
通过以下实施例来验证本发明所述方法的分裂效果。
A.苦荞完整胚乳细胞和子叶粉的机械破碎和干法初步分级
在苦荞籽粒中添加籽粒重量5％的水，进行润麦，增加荞麦外壳的韧性。接着，利用脱壳机对苦荞籽粒进行脱壳，脱壳轴的间距为2-3mm。脱壳后，利用气流筛对外壳-粉混合物进行筛分，气流速度为3m/s，收集末端颗粒和中间颗粒。大颗粒为外壳，比重小和小颗粒为苦荞粉，含胚乳、子叶和麸皮。然后，利用机械碾压苦荞粉进行碾压粉碎，过40目筛得到两种组分。其中，筛上物为苦荞麸皮和子叶的的混合粉体，如图图2(a)所示；筛下物为富含胚乳细胞的胚乳细胞与子叶的混合粉体，如图2(b)所示。
经过干法初步分级后，获得的麸皮和子叶的的混合粉体、胚乳细胞与子叶的混合粉体得成分如表1所示：
表1干法初步分级获得的富集物的组成成分
B.苦荞胚乳完整细胞和子叶粉的静电分离富集
以干法初步分级得到的富集苦荞胚乳的胚乳细胞与子叶的混合粉体为原料，采用摩擦带电的方式进行富集。首先，利用正向气流输送使粉体通过材质为PTFE的弯曲管道，管道直径25mm，弯曲直径400mm；喂料速度250-500g/min，管道出口气流速度为3-5m/s。经摩擦起电后，苦荞粉体进入由平行电极板组成的高压静电场。静电场场强为30kV，极板间距为0.5m，电极板高度为0.8m。经静电场分离后，苦荞完成胚乳细胞富集在正极板附近，收集后得到荞麦胚乳完整细胞富集物，如图3(a)所示；苦荞子叶富集物沉积在向负极板附近，收集后得到荞麦子叶富集粉，如图3(b)所示。可对荞麦胚乳富集物进行2-3次静电场分离。
胚乳细胞与子叶的混合粉体经过静电分离后富集的胚乳细胞和子叶粉的成分如表2所示：
表2甜荞胚乳富集物和子叶富集物的组成成分
C.荞麦子叶粉和麸皮的静电分离富集
以干法初步分级得到的子叶与麸皮的混合粉体作为原料，采用电晕带电式静电分离方法进行富集。首先，利用40目振动筛将粉体均匀铺在输送带上，以8cm/s的速度通过高压电极下方，电极的电压为6kv，电极与输送带距离为10cm。带电后，粉体被输送至弧状电极构成的非匀强静电场中，子叶粉被吸引沉降在靠近电极一端，麸皮则沉降在远离电极的区域。如果欲得到更高纯度的子叶粉，则需进行2-3次的重复电场分离。富集后的胚乳细胞和子叶粉的显微结构和组成见图4和表3。
表3苦荞子叶富集粉和麸皮富集粉的组成成分
以上所列举具体实例用于对本发明进行说明，需要指出的是，以上实例并不代表本发明的保护范围，其他人根据本发明的提示做出的非本质的修改或调整，仍属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)荞麦脱壳与粉碎：通过机械挤压、磋磨或碾压脱去荞麦外壳，筛分去除荞麦外壳，并采用碾压、剪切的方式将去壳后的荞麦粉或荞麦仁粉碎；
(2)干法初步分级：利用筛分法对破碎后的荞麦全粉以40目为界线进行分级，40目筛上物作为富集子叶粉的原料，40目筛下物作为胚乳细胞分离的原料；
(3)差异化机械破碎：对40目筛上物的大颗粒和40目筛下物的小颗粒进行差异化破碎直至粒径小于300μm，分别得到荞麦子叶与麸皮的混合粉体、富含胚乳细胞与子叶的混合粉体；
(4)静电场富集：
对富含胚乳细胞与子叶的混合粉体采用摩擦带电后，利用静电场分离胚乳和子叶得到胚乳富集物和子叶富集物；沉积在负极板处的为胚乳完整细胞粉，沉积在极板间的为子叶细粉；对荞麦子叶与麸皮的混合粉体采用电晕带电后，利用静电场分离子叶和麸皮，富集得到子叶粉富集物和麸皮富集物；
(5)灭酶：对经过静电场富集后的子叶粉进行灭酶脱苦处理。
2.根据权利要求1所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(1)中荞麦脱壳过程中：
当采用的荞麦为苦荞时，苦荞籽粒脱壳前，先用4-10℃的低温水对苦荞喷雾着水，加水量为籽粒重量的1％-5％，然后通过碾压或撞击实现外壳破碎，然后利用振动筛或气流筛、色选机对苦荞壳与苦荞粉进行分离；
当采用的荞麦为甜荞时，首先对籽粒进行分级，对不同等级的甜荞籽粒采用不同间隙的砂轮进行搓磨，脱除甜荞籽粒的外壳，利用比重法实现甜荞外壳和荞麦仁的分离。
3.根据权利要求1所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对于小颗粒采用碾压、剪切的方式进行破碎，对大颗粒采用冲击的方式进行破碎。
4.根据权利要求1所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(4)中富含胚乳细胞与子叶的混合粉体是采用气-固输送式摩擦带电后进入静电场进行分离富集；气-固输送的方式是采用正压稀相输送方法将粉体输送至绝缘、半导体或导电的聚合物材料制成的管道或狭缝中运动，使粉体与管道壁或缝隙壁发生碰撞和摩擦，获得大小或极性不同的电荷；其中所述聚合物材料在摩擦电序中远离淀粉。
5.根据权利要求4所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，气流速度介于5-15m/s，气-固的质量比不小于10，压力不大于0.8MPa。
6.根据权利要求4所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(4)中富含胚乳细胞与子叶的混合粉体静电场分离所用静电场为匀强或非匀强高压静电场，其电场强度大于50kv/m，且电场高度与极板间距之比大于1.5。
7.根据权利要求1所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(4)荞麦子叶与麸皮的混合粉体采用绝缘传送带输送子叶和麸皮至高压电极下进行电晕诱导，再将带电后的子叶与麸皮混合粉体输送到非匀强静电场中进行分离。
8.根据权利要求7所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述电晕诱导的电晕形式为针形或弧形电极，电晕带电的电压为5-10kv，传送带上物料与电极的距离为10-20cm，物料经过电晕带电的速度为5-10cm/s。
9.根据权利要求7所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，荞麦子叶与麸皮的混合粉体静电场分离时的非匀强静电场中的电极形状为弧状，高压电晕带电后的电场强度不低于50kv/m。
10.根据权利要求1所述的电场分离荞麦抗消化胚乳细胞和子叶营养粉的方法，其特征在于，所述步骤(5)中采用过热蒸汽进行灭酶脱苦处理，过热蒸汽的温度不低于120℃，压力不低于0.5Mpa，时间为10-40秒之间。
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