榛子油提取工艺优化及理化性质研究

郝一男 ， 刘 慧， 张永强，郭明威， 王晶文， 薛振华， 王喜明

(内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院1，呼和浩特 010018) (国家林业草原沙生灌木高效开发利用工程技术研究中心2，呼和浩特 010018) (内蒙古沙生灌木资源纤维化和能源化开发利用重点实验室；内蒙古农业大学材料科学与艺术设计学院3，呼和浩特 010018)

可再生能源是指绿色可再生的非化石能源，其中生物质资源是唯一的多样有机化合物，不仅在开发上能够减少应用成本，同时利用方面具备与化石资源相匹配的应用潜力，已成为目前的研究热点[1, 2]。

前期已经研究了蓖麻油[3]、麻疯树油[4]、棕榈油[5]等依靠压榨、索氏提取、微波辅助提取和超声波辅助提取等手段的提取工艺。宁芯等[6]利用超声波辅助溶剂法提取沙田柚柚子籽油的最佳工艺条件为料液比1∶8，超声温度41 ℃，超声时间38.6 min，该条件下沙田柚柚子籽油得率为33.1%。王豪缘等[7]以桃仁为原料，利用微波辅助法和超声波辅助法提取桃仁油，通过单因素和正交实验优化了提取工艺，2种提取方法的桃仁油得率虽然略低于索氏提取的51.87%，但是提取时间明显缩短、提取效率显著提高。栾真杰等[8]利用索氏提取法提取马蔺籽油，当在提取时间6 h、提取温度70 ℃、料液比1∶26条件下，黄色透明状的马蔺籽油得率达到11.20%。胡滨等[9]利用微波辅助提取法制备了榛子油，以体积比1∶1的无水乙醇和石油醚(60～90 ℃)为混合提取溶剂, 取40目榛子,在微波功率460 W、液料比12∶1、提取时间28 min条件下,所得榛子油得率达59.05%。

榛子是一种广泛种植于我国东北、华北和西北的湿润气候地区，含油率高且富含不饱和脂肪酸营养价值高的坚果[10-12]。因此，本研究以购置于内蒙古呼伦贝尔地区的榛子为原料，分别采用压榨法、索氏提取法和超声波辅助法提取榛子油，比较分析不同提取方法对榛子出油率、理化性质及脂肪酸组成的影响。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

1.1.1 实验材料

榛子(hazelnut)，石油醚(60～90 ℃)，乙醇，溴化钾，氢氧化钾，盐酸等均为分析纯；脂肪酸组分分析所用试剂均为色谱纯。

1.1.2 实验设备

SHB-ⅢA循环水式多用真空泵，DZF-6210真空干燥箱，769YP-15A粉末压片机，Tensor27傅里叶变换红外光谱仪，PHENOM飞纳台式扫描电镜，F-Sorb 2400比表面积测试仪，FS-600N超声波处理器， CZN-1.5变压吸附制氮机。

1.2 试验方法

1.2.1 压榨法提取榛子油

先将榛子放在干燥箱内进行干燥处理，除去其中的水分及挥发物，利用榨油机进行提取榛子油。

1.2.2 超声波辅助提取榛子油

称取10 g干燥处理后的榛子于三角瓶中，按一定的液料比(4∶1～12∶1)加入石油醚(60～90 ℃)，将三角瓶放入超声波处理器中，设定提取温度60 ℃，在一定的超声波功率(360～600 W)下，提取一定时间(30～70 min)，旋转蒸发回收石油醚，干燥后称取榛子油质量。

1.2.3 索氏提取榛子油

称取10 g干燥处理后的榛子于滤纸袋中，按液料比为10∶1加入石油醚(60～90 ℃)，在一定温度(60～92 ℃)条件下回流提取，考察时间(2～6 h)对榛子出油率的影响，旋转蒸发回收石油醚，干燥后得榛子油，榛子出油率按公式计算。

榛子出油率=榛子油质量/榛子质量×100%

1.2.4 理化性质分析

酸价参照 GB/T 5009.229—2016《食品安全国家标准 食品中酸价的测定》；皂化值参照 GB/T 5534—2008 《动植物油脂皂化值的测定》；挥发率参照GB/T 5528—2008 《植物油脂水分及挥发物含量测定法》；相对密度按照 GB/T 5526—1985《植物油脂比重测定法》；分子质量按照式(1)测定。

M=(3×1 000×56.1)/(SV-AV)

(1)

式中：AV为酸值/mg/g；SV为皂化值/mg/g；M为榛子油分子质量/u。

1.2.5 脂肪酸成分的气相色谱GC分析1.2.5.1 样品的配制

分别准确称取0.1 g (精确至0.000 1 g)3种不同方法制备的榛子油于小容量烧杯中, 用丙酮为溶剂配制成浓度为1 000 mg/L的样品溶液, 经滤膜过滤后取1 mL装入进样小瓶中, 等待进样。

1.2.5.2 GC条件设定

色谱柱为Rxi-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm).程序升温:100 ℃保持3 min, 以5 ℃/min升到260 ℃保持5 min;载气:氦气;柱箱温度:100 ℃;进样温度:270 ℃，吹扫流量:5.0 mL/min;分流比:100∶1;进样量:1 μL;质谱条件:电离方式:EI;电子能量:70 eV;离子源温度:200℃;接口温度:270 ℃;溶剂延迟时间:2.00 min;扫描速度:1 666 amu/s;质量扫描范围:50～500 amu.

1.2.6 FT-IR分析

采用溴化钾片涂布法，扫描波数范围 400～4 000 cm-1，分辨率为4 cm-1，扫描次数32次，用KBr盐窗作背景采集。

1.2.7 SEM分析

设定扫描电镜的加速电压为15 kV，成像方式为二次电子，对样品进行微观分析。

1.2.8 NMR分析

使用核磁共振仪得到榛子油的氢谱和碳谱，通过榛子油的氢谱和碳谱分析其组成成分。

2 结果与讨论

2.1 超声波辅助萃取榛子油的工艺优化

2.1.1 超声时间

在萃取温度60 ℃、液料比10∶1和超声波功率480 W条件下，考察提取时间对榛子油得率的影响结果见图1。随着提取时间的增加，榛子油的得率呈现显著增加后逐渐降低的趋势。当超声时间为50 min时，榛子油得率达到最高为64.97%，说明超声波加速了细胞壁的破坏，促进油脂溶出。当烘干时间超过50 min时，榛子油出油率降低，这可能是因为在此条件下细胞壁破坏严重导致油脂和大量不溶性杂质的产生，溶剂接触榛子果实细胞壁的机会减少[13]。另一种解释是从动力学角度而言，溶液中的油脂与榛子果实中的油脂浓度差缩小，基于浓度差而存在的渗透压减少，因此50 min为最佳结果。

图1 不同条件对超声波辅助提取榛子油得率的影响

2.1.2 液料比

在提取温度60 ℃、提取时间50 min，超声波功率480 W条件下，考察液料比对榛子油得率的影响结果见图1。液料比在(4∶1)～(10∶1)之间榛子油得率呈现逐渐上升趋势，当料液比达到10∶1之后榛子油得率逐渐降低，在10∶1时达到最大值。原因在于随着溶剂的增加，溶液中的油脂与榛子果实中的油脂浓度梯度增大，油脂溶解的驱动力增大，但当体系中液料比为12∶1时，出油率降低，因此10∶1为最佳结果。

2.1.3 超声波功率

在提取温度 60 ℃、料液比10∶1和提取时间50 min的条件下，考察超声波功率对得率的影响结果见图1。超声波功率在360～480 W时榛子油得率呈现逐渐上升趋势，表明超声波能量的提高引起机械效应有助于分子间相互作用的增强，也促进了体系中质量传递作用。当超声波功率在480 W时榛子油出油率达到最大值，之后榛子油的率逐渐降低，这样可能是因为，功率越大导致体系中释放大量的热一方面造成溶剂的气化，溶剂减少，部分油脂分解，另一方面溶剂与榛子果实的接触面积减少，反应速率受到影响。因此480 W为最佳结果。

2.2 索氏提取法提取榛子油的工艺优化

2.2.1 提取时间

在提取温度76 ℃、料液比10∶1的条件下，考察提取时间对得率的影响结果见图2。随着提取时间的增加，榛子油的得率呈现缓慢增加后逐渐降低的趋势。当提取时间为50 min时，榛子油得率达到最高为64.97%，当烘干时间超过50 min时，榛子油出油率降低。

图2 不同条件对索氏提取榛子油得率的影响

2.2.2 提取温度

在提取时间120 min、料液比10∶1的条件下，考察提取温度对得率的影响，结果见图2。随着温度升高，得率逐渐提高，在70～80 ℃范围内，得率较为稳定。

2.3 压榨提取法提取榛子油的工艺优化

压榨提取法出油率相较其他方法出油率较低，但可以保留榛子油的不饱和脂肪酸、微量元素和风味[14]。在冷榨过程中为降低水分对榛子油黏度的影响，常采用烘干榛子果实的方法[15]。由图3可知：随着烘干时间的延长，出油率呈现出先上升然后下降的趋势，因此选取40 min最为合适。

图3 烘干时间对压榨提取榛子油得率的影响

2.4 榛子油的分析与表征

2.4.1 理化性质分析

由表2可以看出，超声波提取法和压榨法提取榛子油的酸价高于索氏提取法，这可能是由于索氏提取耗时较长，导致甘油三酯发生了一定程度的水解；超声波辅助提取的榛子油酸价较低，说明超声没有使榛子油的甘油三酯产生水解。

表1 不同方法提取的榛子油的主要理化性质比较

在本实验中，超声波和压榨法提取榛子油的皂化值分别为211.557、178.484 mg/g，间接的反映出其脂肪酸的组成和甘油的含量，相对分子质量属于中等水平。通过上述理化性质指标的测定，表明超声波辅助提取这种提取方法不会对榛子油理化性质产生较大影响，且在一定程度上对榛子油品质具有改善作用。

2.4.2 GC分析

通过GC分析不同提取方法对榛子油组成的影响，榛子油脂肪酸甲酯的总离子流图见图4(去除了溶剂峰)，榛子油脂肪酸组成及含量见表3。由图4和表3可知，3种提取方法所得榛子油脂肪酸组成相同，除了顺-9-十八碳一烯酸(顺油酸)和顺，顺-9，12-十八碳二烯酸(顺亚油酸)的GC含量略有差异外，主要脂肪酸(如硬脂酸、棕榈-烯酸和棕榈酸)的含量非常接近，表明超声波辅助提取没有对榛子油脂肪组成造成破坏。

表3 榛子油脂肪酸及质量分数/%

榛子油主要含有棕榈酸、亚油酸、油酸、硬酯酸等脂肪酸，尤其以油酸和亚油酸含量较高，二者之和高达92%以上，这表明榛子油具有较高的食用价值。榛子油元素组成及含量如表4所示，通过不同方法制备的榛子油中主要含有Ca、Fe、K、Mg、P、Zn等，这其中P、Zn的含量较高，二者之和高达76%，这表明榛子油具有较高的营养价值。

表4 榛子油元素组成及质量分数

2.4.3 FT-IR分析

图5 不同提取方法所得榛子油的FT-IR图

2.4.4 SEM分析

图6是榛子果实在提取过程中的扫描电镜图。随不同提取方式时间的延长，其微观结构发生明显的差异。图6a是榛子果实原料的扫描电镜图，此时从扫描电镜图中可清楚的看到榛子果实细胞表面存在大量油脂颗粒，图6b是榛子超声辅助提取油之后所剩粉末的扫描电镜图，榛子果实细胞壁结构破坏严重，出现大量孔洞，相邻孔洞排列松散，大量油脂渗出，这与Zhang等[16]结果一致。图6c是索氏提取后所剩粉末的扫描电镜图，可知经索氏提取处理后，细胞壁变薄，结构杂乱无章，这与姚欢欢[17]结果一致。图6d是压榨提取后所剩粉末的扫描电镜图，榛子果实细胞壁结构完整，排列紧密，导致在提取过程中，油脂很难释放充分，导致出油率低。

图6 不同提取方法所得榛子粉末的SEM图

2.4.5 NMR谱图分析2.4.5.11H NMR谱图分析

图7 超声波辅助法提取榛子油的H谱

2.4.5.213C NMR谱图分析

图8 超声波辅助法提取榛子油的C谱

核磁共振结果有效的验证了FT-IR和GC中官能团结构和百分含量，说明利用核磁共振可以有效地检测榛子油中亚麻酸、亚油酸、甘油酸、油酸以及饱和脂肪酸的存在。由于超声波辅助提取过程中会导致油酸的酸败和氧化，所以会在氢谱和碳谱中产生特征峰。核磁共振仪测定榛子油过程中不需要预处理，简单方便，能快速筛选检验榛子油的官能团结构。

3 结论

本研究以榛子果实为原料，依靠压榨、索氏提取和超声波辅助提取等手段获得榛子油，通过对榛子GC、FT-IR和NMR成分分析结果表明：超声波辅助提取没有对榛子油理化性质、脂肪酸组成、油脂中金属元素和官能团结构产生影响。超声波辅助提取法具有良好的协同作用，相较于传统的压榨法和索氏提取法，超声强化了对榛子果实细胞壁的破坏作用并加速油脂的溶解，大大缩短提取时间，降低反应能耗，实现榛子果实油脂的快速提取。通过单因素试验得到超声波辅助提取榛子油的最佳工艺是：10 g榛子粉，以石油醚为提取溶剂，液料比10∶1，提取时间50 min，提取温度60 ℃，超声功率480 W，此条件下榛子油的得率为64.97%。