榛子油提取工藝優(yōu)化及理化性質(zhì)研究

郝一男 ， 劉 慧， 張永強，郭明威， 王晶文， 薛振華， 王喜明

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院1，呼和浩特 010018) (國家林業(yè)草原沙生灌木高效開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心2，呼和浩特 010018) (內(nèi)蒙古沙生灌木資源纖維化和能源化開發(fā)利用重點實驗室；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院3，呼和浩特 010018)

可再生能源是指綠色可再生的非化石能源，其中生物質(zhì)資源是唯一的多樣有機化合物，不僅在開發(fā)上能夠減少應(yīng)用成本，同時利用方面具備與化石資源相匹配的應(yīng)用潛力，已成為目前的研究熱點[1, 2]。

前期已經(jīng)研究了蓖麻油[3]、麻瘋樹油[4]、棕櫚油[5]等依靠壓榨、索氏提取、微波輔助提取和超聲波輔助提取等手段的提取工藝。寧芯等[6]利用超聲波輔助溶劑法提取沙田柚柚子籽油的最佳工藝條件為料液比1∶8，超聲溫度41 ℃，超聲時間38.6 min，該條件下沙田柚柚子籽油得率為33.1%。王豪緣等[7]以桃仁為原料，利用微波輔助法和超聲波輔助法提取桃仁油，通過單因素和正交實驗優(yōu)化了提取工藝，2種提取方法的桃仁油得率雖然略低于索氏提取的51.87%，但是提取時間明顯縮短、提取效率顯著提高。欒真杰等[8]利用索氏提取法提取馬藺籽油，當在提取時間6 h、提取溫度70 ℃、料液比1∶26條件下，黃色透明狀的馬藺籽油得率達到11.20%。胡濱等[9]利用微波輔助提取法制備了榛子油，以體積比1∶1的無水乙醇和石油醚(60～90 ℃)為混合提取溶劑, 取40目榛子,在微波功率460 W、液料比12∶1、提取時間28 min條件下,所得榛子油得率達59.05%。

榛子是一種廣泛種植于我國東北、華北和西北的濕潤氣候地區(qū)，含油率高且富含不飽和脂肪酸營養(yǎng)價值高的堅果[10-12]。因此，本研究以購置于內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)的榛子為原料，分別采用壓榨法、索氏提取法和超聲波輔助法提取榛子油，比較分析不同提取方法對榛子出油率、理化性質(zhì)及脂肪酸組成的影響。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 實驗材料

榛子(hazelnut)，石油醚(60～90 ℃)，乙醇，溴化鉀，氫氧化鉀，鹽酸等均為分析純；脂肪酸組分分析所用試劑均為色譜純。

1.1.2 實驗設(shè)備

SHB-ⅢA循環(huán)水式多用真空泵，DZF-6210真空干燥箱，769YP-15A粉末壓片機，Tensor27傅里葉變換紅外光譜儀，PHENOM飛納臺式掃描電鏡，F(xiàn)-Sorb 2400比表面積測試儀，F(xiàn)S-600N超聲波處理器， CZN-1.5變壓吸附制氮機。

1.2 試驗方法

1.2.1 壓榨法提取榛子油

先將榛子放在干燥箱內(nèi)進行干燥處理，除去其中的水分及揮發(fā)物，利用榨油機進行提取榛子油。

1.2.2 超聲波輔助提取榛子油

稱取10 g干燥處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 ℃)，將三角瓶放入超聲波處理器中，設(shè)定提取溫度60 ℃，在一定的超聲波功率(360～600 W)下，提取一定時間(30～70 min)，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收石油醚，干燥后稱取榛子油質(zhì)量。

1.2.3 索氏提取榛子油

稱取10 g干燥處理后的榛子于濾紙袋中，按液料比為10∶1加入石油醚(60～90 ℃)，在一定溫度(60～92 ℃)條件下回流提取，考察時間(2～6 h)對榛子出油率的影響，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收石油醚，干燥后得榛子油，榛子出油率按公式計算。

榛子出油率=榛子油質(zhì)量/榛子質(zhì)量×100%

1.2.4 理化性質(zhì)分析

酸價參照 GB/T 5009.229—2016《食品安全國家標準 食品中酸價的測定》；皂化值參照 GB/T 5534—2008 《動植物油脂皂化值的測定》；揮發(fā)率參照GB/T 5528—2008 《植物油脂水分及揮發(fā)物含量測定法》；相對密度按照 GB/T 5526—1985《植物油脂比重測定法》；分子質(zhì)量按照式(1)測定。

M=(3×1 000×56.1)/(SV-AV)

(1)

式中：AV為酸值/mg/g；SV為皂化值/mg/g；M為榛子油分子質(zhì)量/u。

1.2.5 脂肪酸成分的氣相色譜GC分析1.2.5.1 樣品的配制

分別準確稱取0.1 g (精確至0.000 1 g)3種不同方法制備的榛子油于小容量燒杯中, 用丙酮為溶劑配制成濃度為1 000 mg/L的樣品溶液, 經(jīng)濾膜過濾后取1 mL裝入進樣小瓶中, 等待進樣。

1.2.5.2 GC條件設(shè)定

色譜柱為Rxi-5MS (30 m×0.25 mm×0.25 μm).程序升溫:100 ℃保持3 min, 以5 ℃/min升到260 ℃保持5 min;載氣:氦氣;柱箱溫度:100 ℃;進樣溫度:270 ℃，吹掃流量:5.0 mL/min;分流比:100∶1;進樣量:1 μL;質(zhì)譜條件:電離方式:EI;電子能量:70 eV;離子源溫度:200℃;接口溫度:270 ℃;溶劑延遲時間:2.00 min;掃描速度:1 666 amu/s;質(zhì)量掃描范圍:50～500 amu.

1.2.6 FT-IR分析

采用溴化鉀片涂布法，掃描波數(shù)范圍 400～4 000 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)32次，用KBr鹽窗作背景采集。

1.2.7 SEM分析

設(shè)定掃描電鏡的加速電壓為15 kV，成像方式為二次電子，對樣品進行微觀分析。

1.2.8 NMR分析

使用核磁共振儀得到榛子油的氫譜和碳譜，通過榛子油的氫譜和碳譜分析其組成成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波輔助萃取榛子油的工藝優(yōu)化

2.1.1 超聲時間

在萃取溫度60 ℃、液料比10∶1和超聲波功率480 W條件下，考察提取時間對榛子油得率的影響結(jié)果見圖1。隨著提取時間的增加，榛子油的得率呈現(xiàn)顯著增加后逐漸降低的趨勢。當超聲時間為50 min時，榛子油得率達到最高為64.97%，說明超聲波加速了細胞壁的破壞，促進油脂溶出。當烘干時間超過50 min時，榛子油出油率降低，這可能是因為在此條件下細胞壁破壞嚴重導(dǎo)致油脂和大量不溶性雜質(zhì)的產(chǎn)生，溶劑接觸榛子果實細胞壁的機會減少[13]。另一種解釋是從動力學(xué)角度而言，溶液中的油脂與榛子果實中的油脂濃度差縮小，基于濃度差而存在的滲透壓減少，因此50 min為最佳結(jié)果。

圖1 不同條件對超聲波輔助提取榛子油得率的影響

2.1.2 液料比

在提取溫度60 ℃、提取時間50 min，超聲波功率480 W條件下，考察液料比對榛子油得率的影響結(jié)果見圖1。液料比在(4∶1)～(10∶1)之間榛子油得率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，當料液比達到10∶1之后榛子油得率逐漸降低，在10∶1時達到最大值。原因在于隨著溶劑的增加，溶液中的油脂與榛子果實中的油脂濃度梯度增大，油脂溶解的驅(qū)動力增大，但當體系中液料比為12∶1時，出油率降低，因此10∶1為最佳結(jié)果。

2.1.3 超聲波功率

在提取溫度 60 ℃、料液比10∶1和提取時間50 min的條件下，考察超聲波功率對得率的影響結(jié)果見圖1。超聲波功率在360～480 W時榛子油得率呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，表明超聲波能量的提高引起機械效應(yīng)有助于分子間相互作用的增強，也促進了體系中質(zhì)量傳遞作用。當超聲波功率在480 W時榛子油出油率達到最大值，之后榛子油的率逐漸降低，這樣可能是因為，功率越大導(dǎo)致體系中釋放大量的熱一方面造成溶劑的氣化，溶劑減少，部分油脂分解，另一方面溶劑與榛子果實的接觸面積減少，反應(yīng)速率受到影響。因此480 W為最佳結(jié)果。

2.2 索氏提取法提取榛子油的工藝優(yōu)化

2.2.1 提取時間

在提取溫度76 ℃、料液比10∶1的條件下，考察提取時間對得率的影響結(jié)果見圖2。隨著提取時間的增加，榛子油的得率呈現(xiàn)緩慢增加后逐漸降低的趨勢。當提取時間為50 min時，榛子油得率達到最高為64.97%，當烘干時間超過50 min時，榛子油出油率降低。

圖2 不同條件對索氏提取榛子油得率的影響

2.2.2 提取溫度

在提取時間120 min、料液比10∶1的條件下，考察提取溫度對得率的影響，結(jié)果見圖2。隨著溫度升高，得率逐漸提高，在70～80 ℃范圍內(nèi)，得率較為穩(wěn)定。

2.3 壓榨提取法提取榛子油的工藝優(yōu)化

壓榨提取法出油率相較其他方法出油率較低，但可以保留榛子油的不飽和脂肪酸、微量元素和風味[14]。在冷榨過程中為降低水分對榛子油黏度的影響，常采用烘干榛子果實的方法[15]。由圖3可知：隨著烘干時間的延長，出油率呈現(xiàn)出先上升然后下降的趨勢，因此選取40 min最為合適。

圖3 烘干時間對壓榨提取榛子油得率的影響

2.4 榛子油的分析與表征

2.4.1 理化性質(zhì)分析

由表2可以看出，超聲波提取法和壓榨法提取榛子油的酸價高于索氏提取法，這可能是由于索氏提取耗時較長，導(dǎo)致甘油三酯發(fā)生了一定程度的水解；超聲波輔助提取的榛子油酸價較低，說明超聲沒有使榛子油的甘油三酯產(chǎn)生水解。

表1 不同方法提取的榛子油的主要理化性質(zhì)比較

在本實驗中，超聲波和壓榨法提取榛子油的皂化值分別為211.557、178.484 mg/g，間接的反映出其脂肪酸的組成和甘油的含量，相對分子質(zhì)量屬于中等水平。通過上述理化性質(zhì)指標的測定，表明超聲波輔助提取這種提取方法不會對榛子油理化性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，且在一定程度上對榛子油品質(zhì)具有改善作用。

2.4.2 GC分析

通過GC分析不同提取方法對榛子油組成的影響，榛子油脂肪酸甲酯的總離子流圖見圖4(去除了溶劑峰)，榛子油脂肪酸組成及含量見表3。由圖4和表3可知，3種提取方法所得榛子油脂肪酸組成相同，除了順-9-十八碳一烯酸(順油酸)和順，順-9，12-十八碳二烯酸(順亞油酸)的GC含量略有差異外，主要脂肪酸(如硬脂酸、棕櫚-烯酸和棕櫚酸)的含量非常接近，表明超聲波輔助提取沒有對榛子油脂肪組成造成破壞。

表3 榛子油脂肪酸及質(zhì)量分數(shù)/%

榛子油主要含有棕櫚酸、亞油酸、油酸、硬酯酸等脂肪酸，尤其以油酸和亞油酸含量較高，二者之和高達92%以上，這表明榛子油具有較高的食用價值。榛子油元素組成及含量如表4所示，通過不同方法制備的榛子油中主要含有Ca、Fe、K、Mg、P、Zn等，這其中P、Zn的含量較高，二者之和高達76%，這表明榛子油具有較高的營養(yǎng)價值。

表4 榛子油元素組成及質(zhì)量分數(shù)

2.4.3 FT-IR分析

圖5 不同提取方法所得榛子油的FT-IR圖

2.4.4 SEM分析

圖6是榛子果實在提取過程中的掃描電鏡圖。隨不同提取方式時間的延長，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的差異。圖6a是榛子果實原料的掃描電鏡圖，此時從掃描電鏡圖中可清楚的看到榛子果實細胞表面存在大量油脂顆粒，圖6b是榛子超聲輔助提取油之后所剩粉末的掃描電鏡圖，榛子果實細胞壁結(jié)構(gòu)破壞嚴重，出現(xiàn)大量孔洞，相鄰孔洞排列松散，大量油脂滲出，這與Zhang等[16]結(jié)果一致。圖6c是索氏提取后所剩粉末的掃描電鏡圖，可知經(jīng)索氏提取處理后，細胞壁變薄，結(jié)構(gòu)雜亂無章，這與姚歡歡[17]結(jié)果一致。圖6d是壓榨提取后所剩粉末的掃描電鏡圖，榛子果實細胞壁結(jié)構(gòu)完整，排列緊密，導(dǎo)致在提取過程中，油脂很難釋放充分，導(dǎo)致出油率低。

圖6 不同提取方法所得榛子粉末的SEM圖

2.4.5 NMR譜圖分析2.4.5.11H NMR譜圖分析

圖7 超聲波輔助法提取榛子油的H譜

2.4.5.213C NMR譜圖分析

圖8 超聲波輔助法提取榛子油的C譜

核磁共振結(jié)果有效的驗證了FT-IR和GC中官能團結(jié)構(gòu)和百分含量，說明利用核磁共振可以有效地檢測榛子油中亞麻酸、亞油酸、甘油酸、油酸以及飽和脂肪酸的存在。由于超聲波輔助提取過程中會導(dǎo)致油酸的酸敗和氧化，所以會在氫譜和碳譜中產(chǎn)生特征峰。核磁共振儀測定榛子油過程中不需要預(yù)處理，簡單方便，能快速篩選檢驗榛子油的官能團結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本研究以榛子果實為原料，依靠壓榨、索氏提取和超聲波輔助提取等手段獲得榛子油，通過對榛子GC、FT-IR和NMR成分分析結(jié)果表明：超聲波輔助提取沒有對榛子油理化性質(zhì)、脂肪酸組成、油脂中金屬元素和官能團結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。超聲波輔助提取法具有良好的協(xié)同作用，相較于傳統(tǒng)的壓榨法和索氏提取法，超聲強化了對榛子果實細胞壁的破壞作用并加速油脂的溶解，大大縮短提取時間，降低反應(yīng)能耗，實現(xiàn)榛子果實油脂的快速提取。通過單因素試驗得到超聲波輔助提取榛子油的最佳工藝是：10 g榛子粉，以石油醚為提取溶劑，液料比10∶1，提取時間50 min，提取溫度60 ℃，超聲功率480 W，此條件下榛子油的得率為64.97%。