分子蒸餾技術(shù)純化辣椒堿類物質(zhì)的工藝條件優(yōu)化

曹建蘭，盧 俏， 張 煜

（1.遵義醫(yī)藥高等專科學(xué)校，貴州 遵義 563000；2.貴州省建材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省綠色化工與清潔能源技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025）

茄科植物辣椒的主要呈辣物質(zhì)是一系列具有相似結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的香草酰胺類生物堿，統(tǒng)稱辣椒堿類物質(zhì)，其中主要含辣椒堿和二氫辣椒[1]。辣椒堿類物質(zhì)具有較高的生物活性和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、食品、軍事和農(nóng)藥等領(lǐng)域[2-8]。

初提辣椒堿類物質(zhì)的過(guò)程中，由于溶劑選擇性差，與目標(biāo)物質(zhì)一起溶出的還有辣椒色素、果糖和油脂類物質(zhì)，因此需對(duì)辣椒堿初提液進(jìn)行純化處理[9]。目前，純化辣椒堿的主要方法有：柱層析純化、離子交換法、萃取-結(jié)晶法及超臨界CO2萃取法。柱層析法對(duì)儀器要求高，成本昂貴，有效成分會(huì)有一定損失[10-13]；離子交換法生產(chǎn)周期長(zhǎng)，產(chǎn)生污染大[14-16]；萃取-結(jié)晶法耗時(shí)長(zhǎng)，有機(jī)溶劑消耗量大且不易回收[17-18]；超臨界CO2萃取法設(shè)備昂貴，操作流程復(fù)雜[19-20]。分子蒸餾法與上述分離方法相比具有蒸餾溫度低、物料受熱時(shí)間短、分離程度及產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，而且物料成分在蒸餾前后不會(huì)有太大變化，分離后的產(chǎn)品不含外來(lái)有機(jī)溶劑，特別適用于高沸點(diǎn)、熱敏性以及易氧化物料的分離純化[21-23]。本實(shí)驗(yàn)采用分子蒸餾技術(shù)對(duì)辣椒堿類物質(zhì)初提液進(jìn)行純化處理，在蒸餾溫度、真空度及刮膜轉(zhuǎn)速單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用響應(yīng)面法進(jìn)行優(yōu)化，以確定純化工藝條件。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

干紅朝天椒 貴州遵義縣新明科技園產(chǎn)；丙酮（分析純） 重慶川東化工有限公司；液氮 貴州申建氣體有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

JHBE-50A型閃式提取器 河南金鼎科技發(fā)展有限公司；RE-3000型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 上海亞榮生化儀器廠；VKL70型刮膜式分子蒸餾裝置 德國(guó)VTA公司；1100series高效液相色譜、7500CX型電感耦合等離子體發(fā)射光譜質(zhì)譜儀 美國(guó)安捷倫公司。

1.3 方法

1.3.1 辣椒堿類物質(zhì)純化

干紅辣椒經(jīng)干燥、粉碎，以丙酮為溶劑閃式提取，所得初提液辣椒堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 5%，減壓蒸餾得辣椒油樹脂后（辣椒堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%），于一定操作條件下進(jìn)行分子蒸餾純化，收集輕組分得辣椒堿類物質(zhì)純化物。

1.3.2 辣椒堿產(chǎn)品表征

采用高效液相色譜法測(cè)定分子蒸餾輕組分中辣椒堿及二氫辣椒堿的含量，以二者含量之和作為辣椒堿類物質(zhì)總含量。

色譜條件：色譜柱：Lichrospher C18（4.6 mm×250 mm，5 μm）；流動(dòng)相：甲醇-水體積比75∶25（含0.1%磷酸）；流速：0.600 mL/min；檢測(cè)波長(zhǎng)：280 nm；進(jìn)樣量：20 μL；柱壓：40 MPa。

采用電感耦合等離子體質(zhì)譜對(duì)樣品中重金屬殘留進(jìn)行檢測(cè)，總有機(jī)溶劑殘留參照GB 10783—2008《食品添加劑：辣椒紅》標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 蒸餾溫度對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響

控制蒸餾壓力0.1 mbar，刮膜轉(zhuǎn)速300 r/min，于設(shè)定溫度條件下稱取30 g辣椒油樹脂對(duì)其辣椒堿類物質(zhì)進(jìn)行分子蒸餾純化實(shí)驗(yàn)，以研究蒸餾溫度對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，隨蒸餾溫度上升，輕組分中辣椒堿類物質(zhì)的含量呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)蒸餾溫度為175 ℃時(shí)其含量達(dá)到最大值。分子蒸餾過(guò)程中，分子運(yùn)動(dòng)平均自由程隨蒸餾溫度升高而增大，分離效率則會(huì)隨著兩種分離組分分子自由程差異的增加而提高。升高蒸餾溫度，原料中辣椒堿類物質(zhì)和其他組分的分子自由程差距增大，更容易達(dá)到分離目的。但當(dāng)蒸餾溫度達(dá)到175 ℃后，即真空度為0.1 mbar時(shí)，處于高真空度下的蒸發(fā)壁面實(shí)際溫度可折算為300 ℃左右，接近辣椒堿的分解溫度[24]，可能會(huì)使少量目標(biāo)產(chǎn)物發(fā)生分解，因此影響曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)，蒸餾溫度較高時(shí)，蒸發(fā)面上會(huì)產(chǎn)生少量的褐色結(jié)痂物質(zhì)，影響了刮膜轉(zhuǎn)數(shù)和蒸發(fā)液膜的厚度，阻礙了傳質(zhì)傳熱作用。因此，本實(shí)驗(yàn)條件下最適宜的蒸餾溫度為175 ℃。

圖1 蒸餾溫度對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響Fig.1 In fluence of distillation temperature on the purification of capsaicinoids

2.2 真空度對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響

控制蒸餾溫度175 ℃，刮膜轉(zhuǎn)速300 r/min，于設(shè)定真空度下稱取30 g辣椒油樹脂對(duì)其辣椒堿類物質(zhì)進(jìn)行分子蒸餾純化實(shí)驗(yàn)，以研究真空度對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 真空度（p）對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響Fig.2 In fluence of vacuum degree on the purification of capsaicinoids

由圖2可知，隨著真空度的升高（蒸餾壓力的降低），辣椒堿類物質(zhì)的含量逐漸上升。隨著真空度的升高，分子平均自由程不斷增大，利于辣椒堿類物質(zhì)從蒸發(fā)面逸出并凝結(jié)到冷凝面上，從而使輕組分中目標(biāo)產(chǎn)物的含量不斷升高，因此影響曲線呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)真空度達(dá)到一定值時(shí)，輕組分中二氫辣椒堿的含量有所降低。分析原因，可能是較高的真空度會(huì)將少量剛逸出蒸發(fā)壁面但還未達(dá)到冷凝壁的輕組分抽走，對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量造成一定損失。同時(shí)，隨著真空度的不斷升高，會(huì)有少量重組分逸出并凝結(jié)到冷凝面上，導(dǎo)致產(chǎn)品中目標(biāo)物質(zhì)的相對(duì)含量減少。因此，本實(shí)驗(yàn)條件下，最適宜的真空度為0.1 mbar。

2.3 刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響

控制蒸餾溫度175 ℃，真空度0.1 mbar，于設(shè)定刮膜轉(zhuǎn)速下稱取30 g辣椒油樹脂對(duì)其辣椒堿類物質(zhì)進(jìn)行分子蒸餾純化實(shí)驗(yàn)，以研究其對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化效果的影響Fig.3 In fluence of wiper rotation speed on the purification of capsaicinoids

由圖3可知，隨著刮膜轉(zhuǎn)速的增加，輕組分中辣椒堿類物質(zhì)的含量呈先增加后減少的趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min時(shí)其含量達(dá)到最大值。分子蒸餾進(jìn)料速度一定時(shí)，刮膜轉(zhuǎn)速越大，越容易形成完整液膜，傳質(zhì)傳熱作用更充分，辣椒堿類物質(zhì)更易從液膜表面溢出，因此刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)辣椒堿類物質(zhì)含量的影響曲線呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；繼續(xù)提高刮膜轉(zhuǎn)速，物料在蒸發(fā)壁面上停留時(shí)間延長(zhǎng)，會(huì)使少量辣椒堿類物質(zhì)發(fā)生分解。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刮膜轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高時(shí)，少量原料直接被刮膜器甩到冷凝壁上，影響了輕組分的外觀品質(zhì)。此外，轉(zhuǎn)速越大對(duì)設(shè)備的要求也越高。因此，本實(shí)驗(yàn)條件下最適宜的刮膜轉(zhuǎn)速為350 r/min。

2.4 分子蒸餾純化辣椒堿類物質(zhì)的工藝參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)Box-Behnken[25]試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，結(jié)合單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用三因素三水平的響應(yīng)面分析方法，利用Design Expert 7.1.3軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1，結(jié)果見表2。

表1 Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)因速水平表Table 1 Factors and levels used in Box-Behnken response surface design

表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results of Box-Behnken experiments

對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到各因素對(duì)辣椒堿類物質(zhì)純化量的回歸方程如下：

對(duì)所得的模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。從表3可知，用上述回歸方程描述各因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系時(shí)，蒸餾溫度、真空度和刮膜轉(zhuǎn)速對(duì)辣椒堿物質(zhì)純化效果均顯著，影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋汗文まD(zhuǎn)速C＞蒸餾溫度A＞真空度B。同時(shí)蒸餾溫度和刮膜轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)辣椒堿純化效果顯著，結(jié)果見圖4。從回歸方程各項(xiàng)的方差分析結(jié)果還可以看出，模型在α=0.05水平上顯著，方程失擬差較小，表明方程對(duì)試驗(yàn)擬合情況好，誤差小，回歸模型線性相關(guān)系數(shù)=0.912 0，說(shuō)明響應(yīng)值的變化有91.2%來(lái)源于所選變量，這代表模型適合，預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值相關(guān)性較高。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)所得的結(jié)果和二次多項(xiàng)回歸方程，利用Design Expert 7.1.3軟件獲得各個(gè)因素的最佳條件組合為：蒸餾溫度168.91 ℃、真空度0.147 5 mbar、刮膜轉(zhuǎn)速400 r/min，在此條件下，辣椒堿的純化量為119.87 mg。

表3 二次多項(xiàng)模型及各項(xiàng)方差分析表Table 3 Analysis variance for the quadratic polynomial model

圖4 K=f（A,C）的響應(yīng)面和等高線分析Fig.4 Response surface and contour plots for K =f (A,C)

2.5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。考慮到實(shí)驗(yàn)操作的可行性，將最優(yōu)蒸餾條件修正為：蒸餾溫度170 ℃、真空度0.15 mbar、刮膜轉(zhuǎn)速400 r/min，在此條件下做3 組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值誤差為1.45%，模型預(yù)測(cè)性良好。

表4 最佳工藝條件下的預(yù)測(cè)值和實(shí)驗(yàn)值Table 4 Predicted and experimental values under optimum conditions

2.6 樣品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分析結(jié)果

2.6.1 高效液相色譜分析

圖5 色譜對(duì)照?qǐng)DFig.5 Comparative chromatograms of capsaicin and dihydrocapsaicin separated from molecular distillation fractions with authentic reference standards

高效液相色譜法測(cè)定分子蒸餾輕組分中辣椒堿及二氫辣椒堿的結(jié)果如圖5所示，并將辣椒堿標(biāo)準(zhǔn)品和實(shí)驗(yàn)所得輕組分的色譜圖進(jìn)行比較，標(biāo)準(zhǔn)品中辣椒堿和二氫辣椒堿的保留時(shí)間分別為15.625 min和20.870 min，從輕組分樣品的色譜圖中可以發(fā)現(xiàn)，在相近的保留時(shí)間也出現(xiàn)了辣椒堿和二氫辣椒堿的特征峰，可知實(shí)驗(yàn)所得的物質(zhì)為目標(biāo)產(chǎn)物辣椒堿物質(zhì)。

2.6.2 電感耦合等離子體質(zhì)譜分析

本實(shí)驗(yàn)采用電感耦合等離子體質(zhì)譜分析（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）對(duì)樣品中重金屬及有機(jī)溶殘含量進(jìn)行分析表征，并對(duì)純化分離前后辣椒堿品質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果見表5。

表5 辣椒堿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)分析結(jié)果Table 5 Sensory and chemical properties of crude and purified capsaicinoids

由表5可以看出，閃提初品中辣椒堿含量較低，溶殘量大，并混有較多雜質(zhì)；分子蒸餾純化后各項(xiàng)指標(biāo)有較大提高，特別是對(duì)于殘留溶劑的去除效果較好，輕組分中辣椒堿質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到13.11%。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)以辣椒堿類物質(zhì)含量為考察指標(biāo)，確定分子蒸餾純化辣椒堿類物質(zhì)的優(yōu)化工藝條件為：30 g辣椒油樹脂、蒸餾溫度170 ℃、真空度0.15 mbar、刮膜轉(zhuǎn)速400 r/min，在此條件下辣椒堿類物質(zhì)的純化量為118.12 mg，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.001 5%提高到13.11%。實(shí)驗(yàn)表明，利用分子蒸餾技術(shù)對(duì)溶劑提取出的辣椒堿粗產(chǎn)品進(jìn)行分離提純，可以有效地達(dá)到脫色、脫溶、脫臭的目的，產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。分子蒸餾技術(shù)具有高真空度、低溫加熱的特點(diǎn)，使其能保護(hù)辣椒堿不被熱分解破壞。分子蒸餾分離純化辣椒堿相對(duì)傳統(tǒng)純化方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是辣椒堿類物質(zhì)純化的一個(gè)新方向。

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