辣椒紅色素亞臨界水萃取工藝的優(yōu)化

王洪，徐曼旭

(1.哈爾濱市食品工業(yè)研究所，哈爾濱 150025；2.黑龍江省華測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司，哈爾濱 150025；3.哈爾濱市食品工業(yè)研究所有限公司，哈爾濱 150025；4.哈爾濱市雙城區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，哈爾濱 150010)

辣椒紅色素亞臨界水萃取工藝的優(yōu)化

王洪1,2,3，徐曼旭2,4

(1.哈爾濱市食品工業(yè)研究所，哈爾濱 150025；2.黑龍江省華測(cè)檢測(cè)技術(shù)有限公司，哈爾濱 150025；3.哈爾濱市食品工業(yè)研究所有限公司，哈爾濱 150025；4.哈爾濱市雙城區(qū)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，哈爾濱 150010)

亞臨界水萃取法是一種新型的樣品萃取技術(shù)，也被稱(chēng)為“綠色處理方法”，實(shí)驗(yàn)利用亞臨界水技術(shù)萃取具有多種藥理作用的辣椒紅色素。以色素的提取率為指標(biāo)，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)確定辣椒紅色素的最佳提取條件，再與水浸提法和超聲輔助提取法進(jìn)行比較。結(jié)果表明：最佳萃取工藝為亞臨界水溫度120 ℃、提取時(shí)間2 h、液料比10∶1 (mL/g)、萃取壓力0.8 MPa、pH 5，此時(shí)辣椒紅色素的提取率為2.46%±0.02%。同水浸提法和超聲輔助提取法相比，亞臨界萃取法時(shí)間短、效率高、環(huán)境友好、可連續(xù)提取，并且提高了辣椒紅色素的提取率。

辣椒；紅色素；亞臨界水；萃取

我國(guó)是辣椒資源大國(guó)，雖種植面積不大，但其產(chǎn)量卻極高[1]。辣椒中含有的辣椒紅色素具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，國(guó)外近四、五十年已經(jīng)開(kāi)始對(duì)辣椒紅色素投入大量研究，目前我國(guó)也開(kāi)始陸續(xù)建造相關(guān)工廠，但技術(shù)方面仍不夠先進(jìn)，導(dǎo)致進(jìn)口價(jià)格昂貴。 因此，辣椒紅色素的提取工藝研究具有重大的實(shí)際應(yīng)用意義[2]。

水浸提法、超聲輔助提取法和超臨界CO2萃取法是最為普遍的辣椒紅色素提取方法[3]，但這些方法耗費(fèi)大量時(shí)間。亞臨界水萃取技術(shù)由于其具有提取時(shí)間短、效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此被作為提取植物和中草藥中天然成分的方法[4,5]，但是應(yīng)用該方法提取辣椒紅色素國(guó)內(nèi)外還鮮有報(bào)道。因此，利用亞臨界水萃取辣椒紅色素且對(duì)提取工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化具有實(shí)際意義，并能為辣椒的綜合利用提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料與設(shè)備

新鮮辣椒(購(gòu)于商超)；丙酮、甲醇、無(wú)水乙醇、乙醚、鹽酸、氫氧化鈉、去離子水(以上試劑均為分析純)。

KCFD05-03型亞臨界反應(yīng)釜 杭州華黎泵業(yè)有限公司；AL-104型精密電子天平 上海亞榮生化容器廠；TU-1800紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 鞏義市英峪予華儀器廠；pH計(jì) 梅特勒-托利多儀器有限公司；小型臺(tái)式高速離心機(jī) 上海醫(yī)械專(zhuān)機(jī)廠有限公司；FW型高速萬(wàn)能粉碎機(jī) 飛利浦國(guó)際集團(tuán)香港有限公司。

1.2 操作方法

1.2.1 原料預(yù)處理

將新鮮辣椒烘干，粉碎后過(guò)40目篩，備用。

1.2.2 最大吸收波長(zhǎng)的確定[6]

分別準(zhǔn)確稱(chēng)取5.00 g辣椒粉，使用亞臨界水萃取法、超聲波提取法和溶劑浸提法提取辣椒紅色素，將經(jīng)5000 r/min離心18 min的上清液稀釋成所需要的濃度。為得到上清液的最大吸收波長(zhǎng)，在波長(zhǎng)為350～700 nm條件下使用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行掃描。

1.2.3 亞臨界水萃取辣椒紅色素的影響因素

研究萃取溫度(100，110，120，130，140 ℃)、萃取時(shí)間(0.5，1，2，3，4 h)、液料比(5∶1，10∶1，15∶1，20∶1，25∶1)、提取壓力(0.4，0.6，0.8，1.0，1.2 MPa)和提取劑pH(4.0，5.0，6.0，7.0，8.0)5個(gè)因素對(duì)辣椒紅色素提取率的影響。按照1.2.2 的方法在最大吸收波長(zhǎng)處計(jì)算提取率，分析溫度對(duì)提取率的影響。以單因素試驗(yàn)為手段確定提取劑pH 5，建立四因素三水平正交試驗(yàn)表對(duì)提取工藝進(jìn)行優(yōu)化，見(jiàn)表1。

表1 L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表
Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment L9(34)

水平因素A溫度(℃)B液料比(mL/g)C時(shí)間(h)D壓力(MPa)1110510.821201021.031301531.2

1.3 辣椒紅色素提取率的測(cè)定

將利用消光系數(shù)法所得的提取液稀釋后置于1 cm比色皿中，在530 nm 波長(zhǎng)處進(jìn)行吸光值的測(cè)定；其提取率計(jì)算方法見(jiàn)下式：

式中：A為最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度；V為最終體積，mL；DF為稀釋倍數(shù)；M為樣品質(zhì)量，g；98.2為1%的紅色素1 mol消光系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒紅色素特征吸收光譜

辣椒紅色素特征吸收光譜見(jiàn)圖1。

圖1 不同提取方法的辣椒紅色素光譜圖Fig.1 The spectrogram of capsicum red pigment with different extraction methods

注：1為超聲波法；2為溶劑浸提法；3為亞臨界水萃取法。

2.2 辣椒紅色素亞臨界水萃取條件的確定

2.2.1 溫度對(duì)提取率的影響

在提取時(shí)間、液料比、萃取壓力和pH分別為1 h，10∶1，1.0 MPa和5的條件下，溫度對(duì)辣椒紅色素提取率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 溫度對(duì)提取率的影響Fig.2 The effect of temperature on extraction rate of capsicum red pigment

注：相同字母代表差異不顯著，不同字母代表差異顯著(P<0.05)，下同。

由圖2可知，當(dāng)萃取溫度為100～120 ℃時(shí)，其提取率為1.81%～2.32%，這是由于水的極性隨著溫度的升高而降低，色素在120 ℃最容易被提取出來(lái)[7]；而當(dāng)萃取溫度超過(guò)中間溫度120 ℃后，提取率顯著下降，可能是因?yàn)槔苯芳t色素在此溫度下降解率增加。因此，將120 ℃作為最佳提取溫度。

2.2.2 液料比對(duì)提取率的影響

在提取溫度、時(shí)間、壓力和pH分別為120 ℃，1 h，1.0 MPa和5的條件下，液料比對(duì)辣椒紅色素提取率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 液料比對(duì)提取率的影響Fig.3 The effect of liquid solid ratio on extraction rate of capsicum red pigment

由圖3可知，當(dāng)液料比為5∶1～10∶1時(shí)，其提取率為1.84%～2.83%，這是由于隨著液料比的增加，物料與溶劑充分接觸，目標(biāo)物更易溶出[8-10]，因而提取率增加。當(dāng)液料比高于10∶1后，稀釋作用明顯，所以提取率下降，因而以10∶1作為最佳液料比。

2.2.3 萃取時(shí)間對(duì)提取率的影響

在提取溫度、料液比、萃取壓力和pH分別為120 ℃，10∶1，1.0 MPa和5的條件下，萃取時(shí)間對(duì)辣椒紅色素提取率的影響見(jiàn)圖4。

圖4 時(shí)間對(duì)提取率的影響Fig.4 The effect of time on extraction rate of capsicum red pigment

由圖4可知， 0～2 h時(shí)提取率逐漸增加，超過(guò)2 h后提取率顯著降低；可能的原因?yàn)? h后目標(biāo)物質(zhì)處于幾乎完全萃取狀態(tài)，隨著時(shí)間增加色素可能發(fā)生降解反應(yīng)。因此，以2 h作為最佳提取時(shí)間。

2.2.4 萃取壓力對(duì)提取率的影響

在提取溫度、時(shí)間、液料比和pH分別為120 ℃，1 h，10∶1和5的條件下，萃取壓力對(duì)辣椒紅色素提取率的影響見(jiàn)圖5。

圖5 萃取壓力對(duì)提取率的影響Fig.5 The effect of extraction pressure on extraction rate of capsicum red pigment

由圖5可知，當(dāng)萃取壓力為0.4～1.0 MPa時(shí)，色素提取率逐漸增加且2.35%為最大提取率；當(dāng)壓力為0.4～1.0 MPa時(shí)，提取率呈上升趨勢(shì)，可能是由于當(dāng)壓力增大時(shí)溶劑加速充滿已被破壞細(xì)胞壁的物料細(xì)胞毛細(xì)孔內(nèi)，加速目標(biāo)物質(zhì)溶出而提高提取率[11-13]。因此，以1.0 MPa為最佳萃取壓力。

2.2.5 pH提取率的影響

在提取溫度、時(shí)間、液料比和萃取壓力分別為120 ℃，1 h，10∶1和1.0 MPa的條件下，pH對(duì)辣椒紅色素提取率的影響見(jiàn)圖6。

圖6 pH對(duì)提取率的影響Fig.6 The effect of pH value on extraction rate of capsicum red pigment

由圖6可知，當(dāng)pH為4～8時(shí)，提取率先升后降，最大值為2.26%；當(dāng)pH>5時(shí)提取率顯著降低。因此，以5作為最佳pH。

2.2.6 最佳提取條件的確定

表2 L9(34) 正交表及結(jié)果
Table 2 L9(34) orthogonal table and results

序號(hào)A溫度(℃)B液料比(mL/g)C時(shí)間(h)D壓力(MPa)提取率(%)11(110)1(5)1(1)1(0.8)1.6221(110)2(10)2(2)2(1.0)2.2531(110)3(15)3(3)3(1.2)1.4342(120)1(5)2(2)3(1.2)2.6352(120)2(10)3(3)1(0.8)2.5462(120)3(15)1(1)2(1.0)2.073(130)1(5)3(3)2(1.0)1.8783(130)2(10)1(1)3(1.2)1.8593(130)3(15)2(2)1(0.8)2.04K15.306.125.476.20K27.176.646.926.12K35.765.475.845.91k11.772.041.822.07k22.392.212.312.04k31.921.821.951.97極差R0.620.390.490.10

由表2可知，在提取劑的pH為5時(shí)，各因素對(duì)提取率的影響程度為A>C>B>D。

表3 正交試驗(yàn)方差分析表
Table 3 The analysis of variance of orthogonal experiment L9(34)

因素偏差平方和自由度F比F臨界值顯著性溫度0.946237.5419*時(shí)間0.20328.4219液料比0.595223.619*壓力0.02821.0219誤差0.032

由表3可知，辣椒紅色素的最佳提取條件為A2B2C2D1，溫度和液料比對(duì)提取率具有顯著影響。以上述條件對(duì)辣椒紅色素進(jìn)行提取，做3次平行試驗(yàn)得辣椒紅色素提取率為2.46%±0.02%。

2.3 亞臨界水萃取與超聲提取、溶劑浸提的對(duì)比

表4 不同方法提取率的對(duì)比
Table 4 The comparison of extraction rates with different methods

主要參數(shù)亞臨界水萃取水浸提法超聲提取法辣椒質(zhì)量(g)555提取溫度(℃)1209085提取時(shí)間(h)243色素提取率(mg/g)2.46%±0.02%a1.44%±0.03%c1.96%±0.01%b

由表4可知，亞臨界水萃取法的提取率顯著高于水浸提法和超聲提取法，且節(jié)約大量時(shí)間；由此可見(jiàn)，該方法為一種高效的萃取技術(shù)。

3 結(jié)論

辣椒紅色素亞臨界水萃取最佳工藝條件為：在120 ℃，液料比10∶1，0.8 MPa下提取2 h，其提取率最高為2.46%±0.02%。與其他方法相比，本方法大大縮短了提取時(shí)間，提高了提取率，是一種省時(shí)、高效、清潔、易于操作的萃取技術(shù)。

[1]董靜，張國(guó)輝，王洪濤.辣椒中辣椒堿和辣椒紅色素的提取及應(yīng)用[J].食品科技，2006，31(2)：60-62.

[2]Choo H T. Protective action of capsaicin and chilli on haemorrhagic shock-induced gastric mucosal injury in the rat[J].Gastroenterol Hepatoll，1998, 13(10):1007-1014.

[3]華景清,蔡健.辣椒的藥用價(jià)值[J].中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng),2004(12):52-53.

[4]張麗影，于國(guó)萍，于純淼.丹參紅色素的亞臨界水萃取工藝[J].食品科學(xué)，2010，31(22):110-114.

[5]Ramos L, Kristenson E M, Brinkman U A T.Current use of pressurised liquid extraction and subcritical water extraction in environmental analysis[J].Chromatogr, 2002, 975:23-29.

[6]Suzuki K, Mori M.Carotenoid composition of new cultivar ofCapsicumannumduring maturation and its high capsanthin content[J].Journal of the Japanese Society for Food Science and Technology-Nippon Shokuhin Kagaku Kaishi, 2003, 50(7):324-326.

[7]張華，呂玉璋.辣椒紅色素的制取和應(yīng)用研究概述[J].雜糧作物，2000(6)：38-43.

[8]彭子模，李進(jìn).辣椒紅色素提取方法的初步研究[J].新疆教育學(xué)院學(xué)報(bào)，1997(3)：22-24.

[9]黃小鳳.從辣椒中提取食用紅色素[J].食品科學(xué)，1991(7)：13-15.

[10]李新崗，劉毅.辣椒中辣椒紅素的簡(jiǎn)便分離方法[J].南京軍醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，22(3):189-190.

[11]王玉琪.辣椒紅色素超臨界流體提取和應(yīng)用研究[D].西安：西北大學(xué)，2002.

[12]Sabiha Hanima S, Norsyabilah R, Nor Suhaila M H, et al. Effects of temperature, time and pressure on the hemicelluloses yield extracted using subcritical water extraction[J].Procedia Engineering, 2012, 42:562-565.

[13]賀文智，索全伶，王宏偉，等.辣椒紅色素提取精制方法[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2001，20(1)：10-13.

Optimization of Extraction Technology for Red Pigment of Capsicum by Subcritical Water

WANG Hong1,2,3, XU Man-xu2,4

(1.Harbin Institute of Food Industry, Harbin 150025, China;2.Heilongjiang Centre Testing International, Harbin 150025, China;3.Harbin Institute of Food Industry Co., Ltd., Harbin 150025, China; 4.Shuangcheng District Association for Science and Technology of Harbin City, Harbin 150010, China)

Subcritical water extraction method is a new kind of extraction technology.The extraction method is referred to as "green treatment method". Subcritical water technology is used for extracting capsicum red pigment with many pharmacological activities. Based on single factor experiment, the optimal parameters of capsicum red pigment are determined by orthogonal experiment, and compare with water extraction and ultrasonic-assisted extraction. The results show that the optimal extraction conditions are subcritical water temperature of 120 ℃, extraction time of 2 h, liquid-solid ratio of 10∶1 (mL/g), extraction pressure of 0.8 MPa and pH of 5. Under such conditions, the yield of capsicum red pigment is 2.46%±0.02%. Compared with water extraction and ultrasonic-assisted extraction, the subcritical water extraction shortens the extraction time greatly and enhances the yield of capsicum red pigment obviously.

capsicum; red pigment; subcritical water; extraction

2016-06-25

王洪(1971-)，女，工程師，研究方向：食品加工、食品檢測(cè)。

TS201.1

A

10.3969/j.issn.1000-9973.2016.12.028

1000-9973(2016)12-0122-04